基于高速摄像与PIV技术的喷丸丸粒运动特征研究

摘要

喷丸作为一种重要的金属表面机械处理工艺,其加工质量与固体丸粒在高速气流作用下的运动规律密切相关。探究一种精确可行的喷丸丸粒速度测量方法,明确喷丸丸粒流的空间散射特征和速度场分布特征,对于优化喷丸工艺参数至关重要。基于高速摄像机,搭建了喷丸丸粒运动高速图像数据采集系统,捕捉喷丸中丸粒的瞬时空间位置变化特征。采用Photoshop图像处理软件对采集的照片进行预处理,获得具有高对比度的丸粒流黑白二值化图片。使用开源的粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)软件PIVLab对丸粒流图像进行数据处理,获得喷丸丸粒流的速度场结果。结果表明,在喷气压力为0.4 MPa,采用0.4 mm铸钢丸粒条件下,丸粒流的散射锥体倾角为10°,丸粒最大运动速度约为46.5 m/s。在不同的空间截面上,丸粒运动速度呈现高斯分布特征,且其标准差随丸粒与喷嘴之间的距离增大而增大。丸粒在离开喷嘴后速度迅速增长至稳定值,速度变化符合Logistic函数特征。与经验公式相比,所得到的丸粒速度场分布公式更加准确,且能体现丸粒的空间分布特征。