一种PIV试验用荧光示踪粒子及制备方法

一种piv试验用荧光示踪粒子及制备方法
技术领域
1.本发明属于流体力学技术领域，具体涉及一种piv试验用荧光示踪粒子及制备方法。


背景技术：

2.流体运动可视化和流速测量是流体力学实验研究的关键技术。随着信息技术的迅速发展，piv技术成为一种广泛应用的实验测速手段，被用于瞬时全局流场的定量测量中。piv技术的基本原理是在流场中添加示踪粒子，通过高速相机连续多次曝光，记录粒子在流场中的位置。通过图像后处理，可确定粒子在连续两帧图像之间位移，从而获得流体速度。
3.常见的示踪粒子主要包括：高分子聚合物类（聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯、聚酰胺等）；天然矿物类（铝粉、二氧化硅、二氧化钛、滑石粉等），液体类（雾化石蜡油、雾化硅油等）以及气体类（氧气泡、氢气泡）。然而，对于多相流流场的测量，由于在piv图像的后处理中无法准确区别大小相近的固体/气体颗粒与示踪粒子，因此，现有的piv技术存在明显的局限性。


技术实现要素：

4.针对上述背景技术中存在的问题，本发明的一个目的在于提供一种piv试验用荧光示踪粒子。该piv试验用荧光示踪粒子以环氧树脂为基质，并含有罗丹明作为荧光物质，可用于粒子图像测速（piv）进行多相流观测，并区分流场中的流体流速和固体速度的示踪粒子。该piv示踪粒子的粒度根据需求，可在1-1000μm范围内选择，密度为1.14 g.cm-3
，具有接近于水的合理密度、较小的颗粒粒度所带来的的优良的流场跟随性以及荧光物质罗丹明带来的高效率激发光等优点，性能优异且稳定。
5.本发明的另一个目的在于提供一种piv试验用荧光示踪粒子的制备方法，该方法首先配制含罗丹明的乙醇溶液，再将其加入环氧树脂，混合均匀后继续加入硬化剂，最后对硬化后含罗丹明的树脂进行超细粉碎处理，过特定目数的网筛得到目标粒度的荧光示踪粒子。其制备方法的具体步骤为：1）荧光物质溶液的配制：将罗丹明荧光染料加入到无水乙醇中，搅拌溶解后，制得罗丹明乙醇溶液；所述罗丹明荧光染料的添加量为每30ml无水乙醇中添加0.3-0.5g；所述罗丹明荧光染料包括但不限于罗丹明b、罗丹明6g、罗丹明bb、罗丹明b extra及罗丹明bg；2）树脂固化处理：取步骤1）制得罗丹明乙醇溶液加入到环氧树脂中，搅拌均匀，然后加入硬化剂，继续搅拌均匀后静置等待树脂固化；所述罗丹明乙醇溶液与环氧树脂及硬化剂的用量为每2-5ml的罗丹明乙醇溶液中环氧树脂和硬化剂的添加量均为50g；静置的环境温度为20-30℃，静置时间为24h；
3）超细粉碎处理：通过粉碎的方法将步骤2）固化后的树脂粉碎至1-1000μm粒度的细颗粒；粉碎方法采用气流粉碎或者震动磨粉碎；4）分选及干燥处理：将步骤3）处理后的细颗粒分散在在纯水中，用粗目数筛网筛掉粗颗粒部分，再用细目数筛网进行筛分筛掉细颗粒部分，从而获得目的粒度的示踪粒子，然后将筛选出来的示踪粒子于干燥箱中干燥后取出，即制得piv试验用荧光示踪粒子；干燥箱的干燥温度为30-40℃，干燥时间为24小时。
6.本发明提出了以环氧树脂为基质制备荧光piv示踪粒子的方法，其基本原理是荧光物质吸收一定波长的入射光后，能量以光子形式释放，释放出来的激发荧光波长发生了变化。因此，流体中非荧光颗粒散射原有激光颜色，荧光颗粒发射激发荧光的颜色，可以通过特定波长的窄带滤光片仅保留荧光颗粒所发射的光学信息。所制备的荧光示踪粒子能够很好满足多相流piv试验对示踪粒子的要求。
7.本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：1）制备过程中使用的罗丹明、乙醇、环氧树脂、硬化剂均属于非集中采购、非管制类化学品，未有明确的毒害性证据，制作过程的所使用仪器成本低廉；2）粒子本身的稳定性良好，不易变质，可批量制作并保存，并能在试验中稳定发挥作用；3）粒子试验性能优越，其具有较小的粒度和合理的密度，跟随性好，荧光效果良好，荧光效率高。
附图说明
8.图1本发明荧光示踪粒子制备流程图；图2为荧光粒子效果示意图；图3为本发明制得的300-400目网筛之间的样品的颗粒级配曲线；图4为本发明制得的荧光示踪粒子的吸收以及发射光谱；图5为本发明制得的粒子于单相清水流场piv试验中的荧光示踪粒子照片；图6为本发明制得的粒子于固液两相流场piv试验中的荧光示踪粒子（深色）以及聚苯乙烯颗粒（浅色）照片；图7为本发明制得的粒子于两相（清水、聚苯乙烯颗粒）流场piv试验中采用570-610nm窄带滤光片拍摄的荧光示踪粒子照片。
具体实施方式
9.以下结合具体说明书附图及具体实施例对发明做进一步说明，以便更好地理解本技术方案。
10.本发明通过使用荧光示踪粒子，可以实现对示踪粒子和流场中存在的其他颗粒的光学分离，从而拓展piv对多相流的观测。该粒子适用于采样波长为532nm左右绿光波段激光作为光源的piv。该示踪粒子以环氧树脂为基质，并含有罗丹明作为荧光物质。可以通过特定波长的窄带滤光片仅保留荧光颗粒所发射的光学信息，所制备的荧光示踪粒子能够很好满足多相流piv试验对示踪粒子的要求。
实施例
11.该piv荧光示踪粒子的具体制备过程为：步骤一：荧光物质溶液配置称取0.3g罗丹明b荧光染料加入到30ml无水乙醇中，搅拌溶解，制得罗丹明乙醇溶液。
12.在本发明中，罗丹明类荧光染料可以采用包括但不限于罗丹明b，罗丹明6g，罗丹明bb，罗丹明b extra以及罗丹明bg。
13.步骤二：树脂固化处理首先称取3ml步骤一制得的罗丹明b乙醇溶液加入到50g环氧树脂(kafter k-8810w a组分)中，搅拌混合均匀，然后加入50g硬化剂（kafter k-8810w b组分），继续搅拌均匀，最后静置24小时等待树脂固化。
14.步骤三：超细粉碎处理采用剪切研磨方式将固化后的树脂粉碎，实施例中所采用的研磨机运行1小时后，将树脂粉碎至1-1000μm粒度的细颗粒。
15.骤四：分选及干燥处理将步骤三处理后的荧光示踪粒子分散在在纯水中，先用300目筛网进行筛分筛掉粗颗粒部分保留细颗粒部分，再用400目进行筛分筛掉细颗粒部分保留粗颗粒部分，从而获得目的粒度的示踪粒子，然后将筛选出来的示踪粒子放置在温度30-40度的干燥箱中干燥24小时后取出，即制得所需荧光示踪粒子。制备流程具体见图1，制得的荧光粒子效果示意图见图2。
16.验证例实施例制得的荧光示踪粒子通过激光粒度仪分析颗粒粒径，从图3可以得到荧光示踪粒子的中值粒径为33.4μm。
17.使用多功能酶标仪 spark 10m (@tecan inc)对所制备荧光粒子的光谱特征进行测量（见图4），可以看出实施例制得的粒子可以产生明显的荧光，荧光峰值对应的波长为580nm，明显区别于入射光。
18.将制得荧光示踪粒子加入到纯净水中，使用波长为532nm的nd:yag激光发生器发射片光源进行照射，同时使用添加570-610nm窄带滤光片的彩色cmos相机对光平面进行拍摄，从图5可以看到清晰的荧光粒子图像，表明本发明的荧光粒子能够在特定光源下激发荧光。
19.在水中添加聚苯乙烯颗粒，同样使用波长为532nm的nd:yag激光发生器发射片光源进行照射，彩色cmos相机直接对光平面进行拍摄，从图6可以看到清晰的荧光粒子图像以及聚苯乙烯颗粒图像，其中示踪粒子发射激发荧光（荧光峰值强度对应的波长为580nm，580nm波长的激发光常称为橙色，在图中为深色颗粒），聚苯乙烯颗粒散射532nm波长的入射光颜色（532nm波长的入射光常称为绿色，图中为浅色颗粒）。
20.在上述基础上，彩色cmos相机上添加570-610nm窄带滤光片再对光平面进行拍摄，从图7可以看到仅有荧光示踪粒子的光学信息被记录下来，散射532nm绿色激光的聚苯乙烯颗粒的光学信息被570-610nm窄带滤光片阻隔。由此证明，该荧光示踪粒子具备优异的光学性能，搭配上述合适的滤光片，能够很好满足多相流piv试验对示踪粒子的要求
由上述验证例可知，本实施例制备的荧光piv示踪粒子具有接近于水的合理密度和较小的颗粒粒度所带来的的优良的流场跟随性以及荧光物质罗丹明b带来的高效率激发光等优点，性能优异且稳定，在流力力学、水文及环境等领域具有广阔的应用前景。

技术特征：
1.一种piv试验用荧光示踪粒子的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：1）荧光物质溶液的配制：将罗丹明荧光染料加入到无水乙醇中，搅拌溶解后，制得罗丹明乙醇溶液；2）树脂固化处理：取步骤1）制得罗丹明乙醇溶液加入到环氧树脂中，搅拌均匀，然后加入硬化剂，继续搅拌均匀后静置等待树脂固化；3）超细粉碎处理：通过粉碎的方法将步骤2）固化后的树脂粉碎至1-1000μm粒度的细颗粒；4）分选及干燥处理：将步骤3）处理后的细颗粒分散在在纯水中，用粗目数筛网筛掉粗颗粒部分，再用细目数筛网进行筛分筛掉细颗粒部分，从而获得目的粒度的示踪粒子，然后将筛选出来的示踪粒子于干燥箱中干燥后取出，即制得piv试验用荧光示踪粒子。2.如权利要求1所述的一种piv试验用荧光示踪粒子的制备方法，其特征在于步骤1）中罗丹明荧光染料的添加量为每30ml无水乙醇中添加0.3-0.5g。3.如权利要求1所述的一种piv试验用荧光示踪粒子的制备方法，其特征在于步骤1）中罗丹明荧光染料包括但不限于罗丹明b、罗丹明6g、罗丹明bb、罗丹明b extra及罗丹明bg。4.如权利要求1所述的一种piv试验用荧光示踪粒子的制备方法，其特征在于步骤2）中罗丹明乙醇溶液与环氧树脂及硬化剂的用量为每2-5ml的罗丹明乙醇溶液中环氧树脂和硬化剂的添加量均为50g。5.如权利要求1所述的一种piv试验用荧光示踪粒子的制备方法，其特征在于步骤2）中静置的环境温度为20-30℃，静置时间为24h。6.如权利要求1所述的一种piv试验用荧光示踪粒子的制备方法，其特征在于步骤3）中粉碎方法采用气流粉碎或者震动磨粉碎。7.如权利要求1所述的一种piv试验用荧光示踪粒子的制备方法，其特征在于步骤4）中干燥箱的干燥温度为30-40℃，干燥时间为24小时。8.权利要求1-7任一所述的制备方法制得的piv试验用荧光示踪粒子。

技术总结
本发明公开了一种PIV试验用荧光示踪粒子及制备方法，该粒子可用于粒子图像测速进行多相流观测，并区分多相流流场中的液相速度和固相速度。方法步骤如下：首先，配制含罗丹明荧光染料的乙醇溶液；其次，将其加入环氧树脂，混合均匀后加入硬化剂；进而，对硬化后的树脂进行超细粉碎处理；最后，过不同目数的网筛可在1~1000μm范围内得到目标粒度的荧光示踪粒子。该方法具有工艺难度较低、稳定性高、成本低等优点，采用本发明制备的荧光示踪粒子具有接近于水的合理密度和较小的颗粒粒度所带来的良好的流场跟随性以及罗丹明荧光染料带来的高效率激发光等优点，性能优异且稳定。性能优异且稳定。性能优异且稳定。


技术研发人员：李奇骏 魏茂兴 刘东阳 程年生
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.06.06
技术公布日：2023/10/15