基于循環(huán)水洞的非定常空化流動多場同步測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于循環(huán)水洞的非定?？栈鲃佣鄨鐾綔y量系統(tǒng)，屬于船舶與水下航行器工程、水利水電工程技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在高速水流中，當(dāng)某一位置處的壓力降低到飽和蒸汽壓力以下時，將產(chǎn)生空化現(xiàn)象?？栈鲃影殡S著空穴的生長、潰滅等復(fù)雜非定常流動特征，這類現(xiàn)象會對水力機械產(chǎn)生很多不利影響，例如表面材料損傷，振動和噪聲，以及功率損失等。
[0003]在過去幾十年，針對空化現(xiàn)象的實驗研宄很多，研宄設(shè)備主要有高速攝像技術(shù)、粒子測速技術(shù)PIV和激光多普勒測速LDV激光誘導(dǎo)熒光LIF和微小型傳感器。這些先進實驗手段的出現(xiàn)，推動著人們對空化現(xiàn)象認(rèn)識的深入，例如，北京理工大學(xué)的王國玉等分別采用高速攝像技術(shù)和粒子測速技術(shù)PIV研宄了繞翼型和回轉(zhuǎn)體的空穴形態(tài)演變過程以及空化流動的速度場。江蘇大學(xué)的王勇等人采用高速攝像技術(shù)和壓力傳感器分別采集了空化流動的空穴形態(tài)和空化流場的振動噪聲信號。
[0004]但是，這些試驗設(shè)備均是通用儀器，是針對運動場速度測量、壓強場壁面壓強測量和密度場空泡形態(tài)分別進行的。當(dāng)前在實驗研宄空化流動特性時，往往單獨采用高速攝像技術(shù)對空化形態(tài)進行拍攝或者單獨采用壓力傳感器對流場壓力波動進行測量，缺乏對同一時刻不同流場變量之間關(guān)系的認(rèn)識，難以對空化非定常過程這種多場耦合的復(fù)雜流動現(xiàn)象進行全面的研宄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有采用單一測量設(shè)備實驗方法無法同時獲取空化流動的密度場、運動場和壓強場的問題，提供一種基于循環(huán)水洞的非定?？栈鲃佣鄨鐾綔y量系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0007]基于循環(huán)水洞的非定?？栈鲃佣鄨鐾綔y量系統(tǒng)，由實驗平臺、粒子圖像測速子系統(tǒng)、壓力測量子系統(tǒng)和同步觸發(fā)子系統(tǒng)四個部分組成。
[0008]實驗平臺包括試驗段，實驗?zāi)Ｐ?，透明有機玻璃。高速相機，激光器，片光源及光路系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；
[0009]所述實驗?zāi)Ｐ偷酌骈_有螺紋通孔，用于安裝壓力傳感器；壓力傳感器的感壓面與實驗?zāi)Ｐ蜕媳砻纨R平；
[0010]粒子圖像測速子系統(tǒng)包括激光導(dǎo)臂，激光發(fā)生器，高速相機和電腦主機箱和顯示器。通過調(diào)節(jié)激光發(fā)生器的能量等級，使得空化流動區(qū)域的激光片亮度達到高速相機的拍攝要求；所述高速相機安裝時需要采用橡膠隔震墊和海綿隔震墊雙重隔震措施。
[0011]壓力子測量子系統(tǒng)包括壓力傳感器、信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集卡和電腦主機箱和顯示器。
[0012]同步觸發(fā)子系統(tǒng)包括同步觸發(fā)開關(guān)。
[0013]激光發(fā)生器發(fā)出激光通過激光導(dǎo)臂照射到實驗?zāi)Ｐ蜕?；激光?dǎo)臂依次與激光發(fā)生器、電腦主機箱連接；高速相機采集的圖片傳輸?shù)诫娔X主機箱中；壓力傳感器采集的壓強信號通過信號調(diào)理器與數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)搅硪粋€電腦中；試驗段頂部安裝有透明有機玻璃；同步觸發(fā)開關(guān)同時控制高速相機與數(shù)據(jù)采集卡；
[0014]工作過程:首先，調(diào)節(jié)流動參數(shù)，使循環(huán)水洞試驗段的擴張流道內(nèi)產(chǎn)生空化流動；然后分別啟動粒子圖像測速子系統(tǒng)和壓力測量子系統(tǒng)，分別設(shè)置粒子圖像測速和壓力測量的采集頻率以及采集時間長度；接下來，使粒子圖像測速子系統(tǒng)和壓力測量子系統(tǒng)處于等待觸發(fā)狀態(tài)；之后，從試驗段透明有機玻璃觀察空化流動狀態(tài)，當(dāng)觀察到空化流動狀態(tài)時觸發(fā)同步開關(guān)；粒子圖像信息和壓力脈動信號分別存儲至各自連接的電腦。最后，對多場同步采集數(shù)據(jù)進行分析，完成上述步驟之后可以結(jié)束實驗。
[0015]有益效果
[0016]1、本發(fā)明的基于循環(huán)水洞的非定?？栈鲃佣鄨鐾綔y量系統(tǒng)，引入同步觸發(fā)技術(shù)，將各種通用測量設(shè)備結(jié)合在一起，從而實現(xiàn)多種實驗測量設(shè)備對空化流場的同步觀察與測量，最終實現(xiàn)對空化非定常過程這種多場耦合的復(fù)雜流動現(xiàn)象進行全面的研宄。
[0017]2、本發(fā)明的基于循環(huán)水洞的非定?？栈鲃佣鄨鐾綔y量系統(tǒng)，壓力傳感器的感壓面與實驗?zāi)Ｐ蜕媳砻纨R平，即壓力傳感器直接與流動區(qū)域接觸，測量數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明基于循環(huán)水洞的非定常空化流動多場同步測量系統(tǒng)的示意圖；
[0019]圖2是實驗?zāi)Ｐ褪疽鈭D；
[0020]圖3是實驗?zāi)Ｐ瓦^傳感器安裝位置的縱向剖面圖；
[0021]圖4是實驗?zāi)Ｐ瓦^傳感器安裝位置的橫向剖面圖；
[0022]圖5是本發(fā)明基于循環(huán)水洞的非定常空化流動多場同步測量系統(tǒng)的操作流程圖。
[0023]其中，I一激光導(dǎo)臂，2—激光片，3一透明有機玻璃，4一激光發(fā)生器，5一試驗段，6—高速相機，7 —電腦主機箱，8—顯示器，9一同步觸發(fā)開關(guān)，10—壓力傳感器，11一信號調(diào)理器，12—數(shù)據(jù)采集卡，13—實驗?zāi)Ｐ汀?br>【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖與【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。
[0025]實施例1
[0026]基于循環(huán)水洞的非定常空化流動多場同步測量系統(tǒng)，它由實驗平臺、粒子圖像測速子系統(tǒng)、壓力測量子系統(tǒng)和同步觸發(fā)子系統(tǒng)四個部分組成，如圖1所示。
[0027]實驗平臺包括試驗段5，實驗?zāi)Ｐ?3，透明有機玻璃3。所述實驗?zāi)Ｐ?3底面開有螺紋通孔，用于安裝壓力傳感器10，壓力傳感器10的感壓面與實驗?zāi)Ｐ?3右側(cè)的上表面齊平，其中實驗?zāi)Ｐ?3、過傳感器安裝位置的縱向剖面圖和橫向剖面圖分別如圖2、圖3和圖4所示；
[0028]粒子圖像測速子系統(tǒng)包括激光導(dǎo)臂1，激光發(fā)生器4，高速相機6和電腦主機箱7和顯示器8。通過調(diào)節(jié)激光發(fā)生器4的能量等級，使得空化流動區(qū)域的激光片2亮度達到高速相機6的拍攝要求；所述高速相機安裝時需要采用橡膠隔震墊和海綿隔震墊雙重隔震措施。
[0029]壓力子測量子系統(tǒng)包括壓力傳感器10、信號調(diào)理器11、數(shù)據(jù)采集卡12和電腦主機箱7和顯示器8。
[0030]同步觸發(fā)子系統(tǒng)包括同步觸發(fā)開關(guān)9。
[0031]激光發(fā)生器4發(fā)出激光通過激光導(dǎo)臂I照射到實驗?zāi)Ｐ?3上；激光導(dǎo)臂I依次與激光發(fā)生器4、電腦主機箱7連接；高速相機6采集的圖片傳輸?shù)诫娔X主機箱7中；壓力傳感器10采集的壓強信號通過信號調(diào)理器11與數(shù)據(jù)采集卡12傳輸?shù)搅硪粋€電腦中；試驗段5頂部安裝有透明有機玻璃3 ;同步觸發(fā)開關(guān)9同時控制高速相機6與數(shù)據(jù)采集卡12 ；
[0032]工作過程，如圖5所示:
[0033]a.首先，調(diào)節(jié)來流速度為5m/s，使循環(huán)水洞試驗段5的擴張流道內(nèi)產(chǎn)生空化流動；
[0034]b.分別啟動粒子圖像測速子系統(tǒng)和壓力測量子系統(tǒng)；
[0035]c.分別設(shè)置高速相機6和壓力傳感器10的采集頻率和采集時間長度分別為3000hz 和 5s ；
[0036]d.使粒子圖像測速子系統(tǒng)和壓力測量子系統(tǒng)處于等待觸發(fā)狀態(tài)，隨時準(zhǔn)備接收同步觸發(fā)開關(guān)的控制信號；
[0037]e.當(dāng)觀察到擴張流道內(nèi)產(chǎn)生空化流動狀態(tài)時觸發(fā)同步開關(guān)9，產(chǎn)生觸發(fā)信號，使得粒子圖像測速子系統(tǒng)和壓力測量子系統(tǒng)同時開始采集數(shù)據(jù)信息；
[0038]f.采集的粒子圖像測速信息和壓力脈動信號被存儲至電腦7 ;
[0039]g.在顯示器8上觀察多場同步采集數(shù)據(jù)，可以觀察到某一時刻的密度場、速度場和壓力場，并進行多場信息之間的相關(guān)分析，如果需要繼續(xù)測量，重復(fù)d-g步驟；
[0040]h.結(jié)束實驗。
[0041]采用上述測量方法測得的數(shù)據(jù)與單獨采用高速相機和壓力傳感器分別測量的精度是一樣的，但是，應(yīng)用同步觸發(fā)技術(shù)，可以控制高速相機和壓力傳感器同時采集，獲得了同一時刻的多種流場信息，為空化流動這種多場耦合的復(fù)雜流動現(xiàn)象的研宄提供了極大的便利。
[0042]以上僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.基于循環(huán)水洞的非定常空化流動多場同步測量系統(tǒng)，其特征在于:由實驗平臺、粒子圖像測速子系統(tǒng)、壓力測量子系統(tǒng)和同步觸發(fā)子系統(tǒng)四個部分組成； 實驗平臺包括試驗段(5)，實驗?zāi)Ｐ?13)，透明有機玻璃(3); 粒子圖像測速子系統(tǒng)包括激光導(dǎo)臂(I)，激光發(fā)生器(4)，高速相機(6)和電腦主機箱(7)和顯示器(8);通過調(diào)節(jié)激光發(fā)生器(4)的能量等級，使得空化流動區(qū)域的激光片(2)亮度達到高速相機(6)的拍攝要求；所述高速相機安裝時需要采用橡膠隔震墊和海綿隔震墊雙重隔震措施； 壓力子測量子系統(tǒng)包括壓力傳感器(10)、信號調(diào)理器(11)、數(shù)據(jù)采集卡(12)和電腦主機箱(7)和顯示器⑶； 同步觸發(fā)子系統(tǒng)包括同步觸發(fā)開關(guān)(9); 激光發(fā)生器(4)發(fā)出激光通過激光導(dǎo)臂(I)照射到實驗?zāi)Ｐ?13)上；激光導(dǎo)臂(I)依次與激光發(fā)生器(4)、電腦主機箱(7)連接；高速相機(6)采集的圖片傳輸?shù)诫娔X主機箱(7)中；壓力傳感器(10)采集的壓強信號通過信號調(diào)理器(11)與數(shù)據(jù)采集卡(12)傳輸?shù)搅硪粋€電腦中；試驗段(5)頂部安裝有透明有機玻璃(3);同步觸發(fā)開關(guān)(9)同時控制高速相機(6)與數(shù)據(jù)采集卡(12) ο
2.如權(quán)利要求1所述的基于循環(huán)水洞的非定?？栈鲃佣鄨鐾綔y量系統(tǒng)，其特征在于:所述實驗?zāi)Ｐ?13)底面開有螺紋通孔，用于安裝壓力傳感器(10);壓力傳感器(10)的感壓面與實驗?zāi)Ｐ?13)上表面齊平。
3.如權(quán)利要求1所述的基于循環(huán)水洞的非定?？栈鲃佣鄨鐾綔y量系統(tǒng)，其特征在于:工作過程:首先，調(diào)節(jié)流動參數(shù)，使循環(huán)水洞試驗段的擴張流道內(nèi)產(chǎn)生空化流動；然后分別啟動粒子圖像測速子系統(tǒng)和壓力測量子系統(tǒng)，分別設(shè)置粒子圖像測速和壓力測量的采集頻率以及采集時間長度；接下來，使粒子圖像測速子系統(tǒng)和壓力測量子系統(tǒng)處于等待觸發(fā)狀態(tài)；之后，從試驗段透明有機玻璃觀察空化流動狀態(tài)，當(dāng)觀察到空化流動狀態(tài)時觸發(fā)同步開關(guān)；粒子圖像信息和壓力脈動信號分別存儲至各自連接的電腦；最后，對多場同步采集數(shù)據(jù)進行分析，完成上述步驟之后可以結(jié)束實驗。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于循環(huán)水洞的非定?？栈鲃佣鄨鐾綔y量系統(tǒng)，屬于船舶與水下航行器工程、水利水電工程技術(shù)領(lǐng)域。連接關(guān)系：激光發(fā)生器發(fā)出激光通過激光導(dǎo)臂照射到實驗?zāi)Ｐ蜕?；激光?dǎo)臂依次與激光發(fā)生器、電腦主機箱連接；高速相機采集的圖片傳輸?shù)诫娔X主機箱中；壓力傳感器采集的壓強信號通過信號調(diào)理器與數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)搅硪粋€電腦中；試驗段頂部安裝有透明有機玻璃；同步觸發(fā)開關(guān)同時控制高速相機與數(shù)據(jù)采集卡。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)多種實驗測量設(shè)備對空化流場的同步觀察與測量，最終實現(xiàn)對空化非定常過程這種多場耦合的復(fù)雜流動現(xiàn)象進行全面的研究。
【IPC分類】G01M10-00
【公開號】CN104807612
【申請?zhí)枴緾N201510223779
【發(fā)明人】王國玉, 陳廣豪, 張敏娣, 黃彪, 高遠, 劉濤濤
【申請人】北京理工大學(xué)
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年5月5日