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用于固體表 面或流體的溫度測量. 膠囊式膽甾相液晶具有粒子形態和溫度2顏色反應特性, 可以用 來同時測量流體的速度和溫度場. 作者改進了粒子測速的測試精度; 還標定了色度2溫 度關系, 獲得了自然對流流場中的速度和溫度場. 

關鍵詞  粒子圖像測速, 膽甾相液晶, 溫度場測量, 自然對流

有一種能以不同顏色反映不同溫度的液晶, 稱為熱色液晶. 熱色液晶對溫度的敏感性已被廣泛用于溫度場的測量, 如熱傳導分析、流場顯示以及無損檢測等. 膠囊式液晶粒子被引進到粒子圖像測速(P IV ) 技術中, 在測量流體全場速度的同時又實時顯示了流體溫度場. 這就給流場顯示及定量分析提供了更強有力的工具[ 1 ] . 但在國際上, 這類研究還很初步, 在國內, 這類研究還未見報道. 本文將膠囊式膽甾相液晶粒子引進到 PIV 技術, 采用了錄像 PIV 的互相關方法, 測量和分析了自然對流流場的速度場和溫度場; 而且對液晶粒子測溫測速技術作了改進, 提高了高速度梯度區流體速度測量的精度.

1 實驗裝置及測量系統

在150mm ×186mm ×100mm 的有機玻璃容器內, 盛有 0. 02% (質量密度) 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, 從與B 面垂直的方向上 觀察并記錄自然熱對流過程. 整個熱對流過程, 由 SONYU 2Matic Vo25800ps 錄像機存儲在錄像帶上, 由DataTranslation DT 2871 彩色圖像板, 直接從 CCD 攝像機或從錄像帶, 經錄像機采入一系列圖像進行分析. 實驗裝置如圖 1. 對速度場的分析, 采用 PIV 互相關方法. 對溫度場的分析中, 圖像可由 HSI(H 色度, S 飽和度, I 光強) 模式采入, HSI 與 RGB 模式可以轉換. 本文采用 HSI 模式. 采集兩幅彩色圖像時差為 0. 5s, 由兩幅彩色圖像的光強分量, 進行互相關分析, 提取速度場, 由圖像的色度分量, 換算成溫度數據.

2 改進的互相關方法分析速度場及溫度場測定

　

熱色液晶在白光照射下, 反射光的顏色 與液晶所處的溫度, 具有一一對應的關系, 對于顏色的測量, 已提出過若干種方法[ 1, 3 ] . 最近多采用色度2溫度方法, 即先計算圖像的色度, 然后由色度求溫度場. 主要優點是色度反映的光波長特性對應于顏色不受飽和度和光強的影響. 在飽和度光強達到一定限值后, 單獨計算色度2溫度來提取溫度信息, 就簡化了顏色2溫度測量的過程. 本文直接利用了圖像板的 H S I 模式, 對液晶粒子溫度2顏色的關系作了標定, 標定之后的溫度分布如圖 2 所示. 溫度和顏色的標定是通過保持容器中水溫度均衡, 檢測圖像色度的直方圖, 其最大值為溫度對應的色度值.

3 結果和討論

實驗中發現, 當熱流上升到水的自由表面后, 形成了兩個旋向相反的渦流區. 在自然對流達到穩態后, 提取了相隔 0. 5s 的兩幅彩色粒子圖. 圖 3 顯示了經過改進的互相關方法提取的流體速度場, 其最大的速度在 0. 1m/s量級. 通過用人工模擬的流場進行驗證, 發現其誤差在 5% 以下.

通過利用色度2溫度標定曲線, 彩色圖像的色度被轉換成溫度值, 圖 4 即為試驗區的溫度分布. 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. 溫度測試精度分為兩部分, 如圖 2 溫度標定曲線的 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測量流場的溫度和速度分布是可行的, 而且能保證足夠的測試精度.

參 考 文 獻

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

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