一种气-液-固三相磨粒流旋流流场在线观测方法及装置

摘要

本发明公开了一种气‐液‐固三相磨粒流旋流流场在线观测方法及装置，在针对气-液-固三相磨粒流旋流流场的研究中，对旋流流场形成过程中磨粒和微气泡的运动规律进行理论分析的同时，利用粒子图像测速法(PIV)对其进行在线实验观测，从PIV实验设备中提取相关数据及图片，将旋流流场形成过程中磨粒和微气泡的运动规律直观的呈现出来，并且实现旋流流场形成过程的在线观测，验证理论分析的正确性，为深入研究气-液-固三相磨粒流旋流流场的流场特性及其控制方法奠定基础。以及提供了一种气‐液‐固三相磨粒流旋流流场在线观测方法的装置。本发明能够实现气‐液‐固三相磨粒流旋流流场形成过程中的在线观测，可实现流体研究中无干扰、瞬态、全场速度测量，通用性良好。

说明书

技术领域

本发明涉及软性流体表面研磨/抛光领域，更具体的说，涉及一种气-液-固三相磨粒流旋 流流场在线观测方法及装置。

背景技术

在现代光学、电子信息及薄膜科学等高新技术领域，需要在精密光学零件和功能晶体材 料表面实现超光滑表面加工(UltrasmoothSurfaceManufacturing)，例如软X射线光学系统、 激光陀螺反射镜、高密度波分复用器、高能激光反射镜、功能光学器件、光学窗口等。

气-液-固三相磨粒流抛光加工新方法，利用多向注入方法在抛光加工工具和工件表面之 间形成的大面积微距缝隙中驱动形成一种高速湍流状态的旋流流场，此旋流流场中的微气泡 在掺气量和流速的控制下可以以适当的方式溃灭，溃灭过程对附近的磨粒产生加速推动作用， 两者共同结果导致所述磨粒运动方向呈现较大的随机性，所述磨粒与工件的加工表面凸起峰 接触几率大幅提高，同时所述磨粒对所述工件的加工表面凸起峰作用力也大幅提高，由此大 幅度提高了磨粒流抛光的效率，并且在提高抛光效率的同时，由于流体的柔性缓冲特性，可 以避免所述磨粒的硬性压入造成所述工件的加工表面损伤。

目前，针对所述气-液-固三相磨粒流旋流流场的研究，主要以数学模型理论分析和基于 各种流体动力学软件的仿真分析为主要手段，并结合抛光加工实验来和理论分析相互验证， 这种研究方法的局限性在于：(1)数学模型理论分析和软件仿真分析的方法，由于误差和边 界条件设定局限性的原因，并不能完全客观、准确的得出所述旋流流场中磨粒和微气泡运动 轨迹和运动规律等流场特性；(2)通常所实施的抛光加工试验，一般都是抛光加工过程不可视 的，加工完成后依靠工件表面粗糙度、微观形貌图等手段来推断抛光加工中材料去除机理。

发明内容

本发明的目的在于解决气-液-固三相磨粒流旋流流场的研究过程中分析和试验方法客观 局限性的问题，提出了一种气-液-固三相磨粒流旋流流场在线观测方法及装置。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种气-液-固三相磨粒流旋流流场在线观测 方法，包括如下步骤：

(1)利用多向注入方法在抛光加工工具和工件表面之间形成大面积微距间隙中驱动形成 一种多相流旋流流场，即气-液-固三相磨粒流旋流流场；

(2)对步骤(1)的气-液-固三相磨粒流旋流流场形成过程中磨粒和微气泡的运动规律 进行理论分析；

(3)利用粒子图像测速设备采用粒子图像测速法对气-液-固三相磨粒流旋流流场进行在 线实验观测，粒子图像测速法是一种无干扰、瞬态、全场速度测量方法，多次摄像以记录气- 液-固三相磨粒流旋流流场中磨粒的位置，并分析拍摄图像，从而测出气-液-固三相磨粒流旋 流流场的流动速度、涡量和湍动能的数据信息；

(4)从粒子图像测速法设备中提取相关数据和图片，将气-液-固三相磨粒流旋流流场形 成过程中磨粒和微气泡的运动规律进行直观的呈现；

(5)根据气-液-固三相磨粒流旋流流场的形成过程的在线观测，验证步骤(2)中理论 分析的正确性，为深入研究气-液-固三相磨粒流旋流流场的流场特性及控制方法奠定基础。

进一步的，所述多向注入方法是通过驱动系统将预先混合均匀的气-液-固三相磨粒流以 三个方向以一定角度注入到抛光加工工具内腔中，随后抛光加工工具内腔中的气-液-固三相 磨粒流在进入大面积微距缝隙的过程的方法；由于抛光加工工具内部流道的特殊约束结构， 从而在大面积微距缝隙中形成所述的气-液-固三相磨粒流旋流流场。

进一步的，所述磨粒为粒径为10um～100um之间的球形碳化硅或者氧化铝微粉颗粒。

进一步的，所述微气泡为微气泡发生器通过电激法在液相中产生的直径为微米级别的气 泡。

进一步的，所述液相为水。

一种气-液-固三相磨粒流旋流流场在线观测装置，包括粒子图像测速设备、处理器、抛 光加工工具、工件、磨粒流容器和磨粒流输出管，

所述粒子图像测速设备安装在抛光加工工具的正上方，用于拍摄提取气-液-固三相磨粒 流从注入到形成气-液-固三相磨粒流旋流流场过程的图像和数据；

所述处理器与粒子图像测速设备电连接，处理器用于对粒子图像测速设备中所得的图像 和数据进行处理分析，得到气-液-固三相磨粒流旋流流场形成过程中磨粒和微气泡的运动轨 迹和运动规律；

所述抛光加工工具为由透明的有机玻璃制成的圆柱体，圆柱体的侧面开有三个磨粒流入 射口，三个磨粒流入射口分别通过磨粒流输出管连接磨粒流容器，圆柱体的内部设有约束流 道，所述圆柱体的内部结构表面也具有透明特性；

所述工件固定安装在所述抛光加工工具的正下方的磨粒流容器内，所述工件为由透明的 有机玻璃制成圆柱体工件，所述工件与抛光加工工具底面形成大面积微距缝隙；

所述抛光加工工具与所述磨粒流容器之间形成密封的加工腔体，所述磨粒流容器上设有 流道出口。

进一步的，所述磨粒流容器包括底板、两块第一侧板、两块第二侧板和顶面板，所述顶 面板上设有与所述抛光加工工具相配合的通孔，底板、两块第一侧板、两块第二侧板、顶面 板和抛光加工工具共同形成密封的加工腔体，两块第一侧板上均布对称分布的两组流道出口。

进一步的，每组流道出口包括至少四个流道出口。

进一步的，所述粒子图像测速法设备为粒子图像测速法摄像头。

本发明的有益效果在于：

1)利用粒子图像测速法(PIV)来实时在线观测气-液-固三相磨粒流旋流流场形成过程中 磨粒和微气泡的运动规律，利用客观的技术手段将旋流流场特性表现出来，从而可以与理论 或者软件仿真分析得到的结论进行对比，找到更加客观、准确的流场特性。

2)粒子图像测速法(PIV)可以将磨粒流中微气泡和磨粒的运动轨迹直观的呈现出来，这 样可以直观的看到磨粒在工件表面的抛光加工机理，进一步提高了抛光加工效果的可视性和 预见性，进而可以为实验提供很好的指导意义。

附图说明

图1是本发明所述气-液-固三相磨粒流旋流流场在线观测方法的技术方案流程图。

图2是本发明所述气-液-固三相磨粒流旋流流场在线观测装置的主视图。

图3是本发明所述气-液-固三相磨粒流旋流流场在线观测装置的局部剖视图。

图4是本发明所述气-液-固三相磨粒流旋流流场在线观测装置的轴测图。

图中，1-底板、2-流道出口、3-固定螺钉、4-顶面板、5-抛光加工工具、6-加工腔体、7- 粒子图像测速法设备、8-流道入口、9-工件、10-第一侧板、11-第二侧板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1～4所示，一种气-液-固三相磨粒流旋流流场在线观测方法，其技术思路为：粒子 图像测速法设备中的粒子图像测速法摄像头安装在抛光加工工具的正上方，在外部磨粒流输 送系统将预先混合均匀的气-液-固三相磨粒流从磨粒流容器中通过磨粒流输出管注入到抛光 加工工具中时粒子图像测速法摄像头即开始拍摄采集图像和数据，待气-液-固三相磨粒流形 成稳定的气-液-固三相磨粒流旋流流场后停止拍摄，改变气-液-固三相磨粒流中磨粒和为气泡 的配比，进行多次拍摄，最后在处理器中完成数据的处理和提取，进行数据对比，最终得出 一组最能说明所述磨粒和微气泡在气-液-固三相磨粒流旋流流场中运动轨迹和运动规律的图 片数据。

一种气-液-固三相磨粒流旋流流场在线观测方法所依托的装置，其组成结构为：由固定 螺钉3将顶面板4、底板1及第一侧板10、第二侧板11固定安装成一个密封的磨粒流容器， 磨粒流容器顶面的顶面板4中紧密嵌合着抛光加工工具5，抛光加工工具5正下方安装有工 件9，抛光加工工具5底面和工件9上表面之间形成大面积微距缝隙，所述粒子图像测速法 设备7固定安装在抛光加工工具5的正上方。第一侧板10设有对称分布的两组流道出口2， 每组流道出口包括至少四个流道出口2。气-液-固三相磨粒流抛光加工工具中的所述流道入口 8注入到加工内腔6中，最后从流道出口2排出。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过 创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保 护范围内。