摘要　膽甾相液晶在不同溫度下顯示不同的顏色, 這一特性已被廣泛地應(yīng)用于固體表 面或流體的溫度測(cè)量. 膠囊式膽甾相液晶具有粒子形態(tài)和溫度2顏色反應(yīng)特性, 可以用 來同時(shí)測(cè)量流體的速度和溫度場(chǎng). 作者改進(jìn)了粒子測(cè)速的測(cè)試精度; 還標(biāo)定了色度2溫 度關(guān)系, 獲得了自然對(duì)流流場(chǎng)中的速度和溫度場(chǎng). 

關(guān)鍵詞  粒子圖像測(cè)速, 膽甾相液晶, 溫度場(chǎng)測(cè)量, 自然對(duì)流

有一種能以不同顏色反映不同溫度的液晶, 稱為熱色液晶. 熱色液晶對(duì)溫度的敏感性已被廣泛用于溫度場(chǎng)的測(cè)量, 如熱傳導(dǎo)分析、流場(chǎng)顯示以及無損檢測(cè)等. 膠囊式液晶粒子被引進(jìn)到粒子圖像測(cè)速(P IV ) 技術(shù)中, 在測(cè)量流體全場(chǎng)速度的同時(shí)又實(shí)時(shí)顯示了流體溫度場(chǎng). 這就給流場(chǎng)顯示及定量分析提供了更強(qiáng)有力的工具[ 1 ] . 但在國(guó)際上, 這類研究還很初步, 在國(guó)內(nèi), 這類研究還未見報(bào)道. 本文將膠囊式膽甾相液晶粒子引進(jìn)到 PIV 技術(shù), 采用了錄像 PIV 的互相關(guān)方法, 測(cè)量和分析了自然對(duì)流流場(chǎng)的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng); 而且對(duì)液晶粒子測(cè)溫測(cè)速技術(shù)作了改進(jìn), 提高了高速度梯度區(qū)流體速度測(cè)量的精度.

1 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量系統(tǒng)

在150mm ×186mm ×100mm 的有機(jī)玻璃容器內(nèi), 盛有 0. 02% (質(zhì)量密度) 的液晶粒子. 粒子直徑平均為 100 Λm , 水溫為 25℃距容器底 面 25mm 處, 有 一 直徑 為 13mm 的不銹鋼管通過容器不銹鋼管與裝有約 50℃水的水槽相通, 熱水循環(huán)流過. 厚度為 2mm 的白光片光從垂直于容器A 面 的方向透像機(jī), 從與B 面垂直的方向上 觀察并記錄自然熱對(duì)流過程. 整個(gè)熱對(duì)流過程, 由 SONYU 2Matic Vo25800ps 錄像機(jī)存儲(chǔ)在錄像帶上, 由DataTranslation DT 2871 彩色圖像板, 直接從 CCD 攝像機(jī)或從錄像帶, 經(jīng)錄像機(jī)采入一系列圖像進(jìn)行分析. 實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1. 對(duì)速度場(chǎng)的分析, 采用 PIV 互相關(guān)方法. 對(duì)溫度場(chǎng)的分析中, 圖像可由 HSI(H 色度, S 飽和度, I 光強(qiáng)) 模式采入, HSI 與 RGB 模式可以轉(zhuǎn)換. 本文采用 HSI 模式. 采集兩幅彩色圖像時(shí)差為 0. 5s, 由兩幅彩色圖像的光強(qiáng)分量, 進(jìn)行互相關(guān)分析, 提取速度場(chǎng), 由圖像的色度分量, 換算成溫度數(shù)據(jù).

2 改進(jìn)的互相關(guān)方法分析速度場(chǎng)及溫度場(chǎng)測(cè)定

　

熱色液晶在白光照射下, 反射光的顏色 與液晶所處的溫度, 具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系, 對(duì)于顏色的測(cè)量, 已提出過若干種方法[ 1, 3 ] . 最近多采用色度2溫度方法, 即先計(jì)算圖像的色度, 然后由色度求溫度場(chǎng). 主要優(yōu)點(diǎn)是色度反映的光波長(zhǎng)特性對(duì)應(yīng)于顏色不受飽和度和光強(qiáng)的影響. 在飽和度光強(qiáng)達(dá)到一定限值后, 單獨(dú)計(jì)算色度2溫度來提取溫度信息, 就簡(jiǎn)化了顏色2溫度測(cè)量的過程. 本文直接利用了圖像板的 H S I 模式, 對(duì)液晶粒子溫度2顏色的關(guān)系作了標(biāo)定, 標(biāo)定之后的溫度分布如圖 2 所示. 溫度和顏色的標(biāo)定是通過保持容器中水溫度均衡, 檢測(cè)圖像色度的直方圖, 其最大值為溫度對(duì)應(yīng)的色度值.

3 結(jié)果和討論

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn), 當(dāng)熱流上升到水的自由表面后, 形成了兩個(gè)旋向相反的渦流區(qū). 在自然對(duì)流達(dá)到穩(wěn)態(tài)后, 提取了相隔 0. 5s 的兩幅彩色粒子圖. 圖 3 顯示了經(jīng)過改進(jìn)的互相關(guān)方法提取的流體速度場(chǎng), 其最大的速度在 0. 1m/s量級(jí). 通過用人工模擬的流場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證, 發(fā)現(xiàn)其誤差在 5% 以下.

通過利用色度2溫度標(biāo)定曲線, 彩色圖像的色度被轉(zhuǎn)換成溫度值, 圖 4 即為試驗(yàn)區(qū)的溫度分布. 液晶顯示的溫度范圍為 27℃～ 33℃. 圖中間的一條灰色垂直線是上升熱流的軌跡. 溫度測(cè)試精度分為兩部分, 如圖 2 溫度標(biāo)定曲線的 1 和 2 兩部分. 第一部分精度較高, 誤差約為 0. 01℃; 而第二部分精度較低, 誤差約為 0. 2℃.

我們的研究工作表明, 用膠囊式液晶粒子同時(shí)測(cè)量流場(chǎng)的溫度和速度分布是可行的, 而且能保證足夠的測(cè)試精度.

參 考 文 獻(xiàn)

1 Grant I. Particle Im age V elocim etry. SP IE P ress V o lum e M S99, 1994 

2 Jam bunathan K, Ju XY, Dobbins BN , A shfo rth2fro st S. A n imp rovem ent cro ss2co rrelation technique fo r parti2 cle im age velocim try. M eas S ci & T ech, 1994, 6: 1 

3 A k ino N , Kunuqi T, Ich im yin K, M itsush iro K, U eda M. Imp roved liquid crystal thermom eter excluding hu2 m an co lo r sensation. J H eat T ransf er. 1989, 111: 558

本文來源：互聯(lián)網(wǎng)

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