CN104777164A - 基于piv的机舱内空气流动大尺寸测量实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PIV的机舱内空气流动大尺寸测量实验装置，包括大功率双脉冲激光器系统、粒子图像拍摄系统、同步控制器、示踪粒子烟雾发生器和计算机。测量过程中，用片光源透镜组调节激光片光源束腰处于所测量子区域；用相机导轨控制高分辨率CCD相机测量位置。向所测量机舱模型内释放示踪粒子烟雾；使用同步控制器调控大功率双脉冲激光器和高分辨率CCD相机，获得每一时刻双帧示踪粒子图像；用计算机分析软件对该图像进行自适应互相关处理，获得每一时刻的瞬时流场信息；对各时刻的瞬时流场进行时间平均获得时均流场。拼接各测量子区域内的时均流场，得到机舱内大尺寸截面完整高分辨率时均流场数据，用于流场特征分析和验证数值计算结果。
Description
技术领域
本发明涉及机舱环境参数的实验研究领域，具体涉及一种针对机舱内复杂空气流动的大尺寸光学实验装置及测量方法。
背景技术
随着科技和民航事业的发展，民用客机作为提供高速快捷的公共运输服务的交通工具，逐渐成为大众化的出行方式。目前全世界每年有超过20亿人选择乘坐飞机出行，并且这个数字还将不断增加。随着空乘旅客数量的不断增加，由乘坐飞机所带来的问题也将不断攀升。很多乘客在乘坐飞机时都或多或少感觉到不舒适。同时，国际航班大大增加了传染性疾病在国际间迅速传播的机会。因此，如何营造一个安全、健康和舒适的机舱环境对于机组人员和乘客的生命安全、身体健康和舒适就显得尤为重要。在影响机舱环境的多种参数中，空气流动规律是最为关键的参数之一。机舱内流场不仅影响乘客周围的环境舒适性，还是气载污染物和颗粒物的传播载体。因此，研究分析机舱内空气流动的特征和分布规律是解决这一关键问题的科学基础。同时，设计合理高效的机舱气流组织形式对节约客机环控系统的能源消耗，提升客机的市场竞争力也具有重要作用。
然而，机舱环境中的空气流动具有低速、高脉动的复杂弱湍流流动特性。准确研究机舱内空气流动规律是十分具有挑战性的工作。国内外研究机舱内空气流动的方法主要包括实验测量和数值模拟两种手段。实验测量被认为是可以准确获得舱内空气流动信息的方法。但实验测量往往耗时长、花费高、同时测量数据受限制较大。数值模拟主要通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)的方法对机舱内空间进行仿真建模研究。CFD模拟具有经济、高效、数据全面等优势。但CFD模拟的准确性往往受到边界条件，湍流模式和单元体划分等各方面因素的影响，必须要通过实验测量的数据进行验证。由此可见，实验测量不仅能获得机舱内的空气流动信息，同时还能和CFD模拟相辅相成，因此，实验测量对研究机舱内空气流动规律具有重要的意义。
机舱内空气流动的测量方法主要包括单点测量技术和全场测量技术。传统单点测量技术主要包括热线风速仪，热球风速仪和超声波风速仪。使用单点测量技术可以获得单个测量点上的流动信息，用于提供CFD模拟所需的边界条件和验证特定位置的模拟结果。但单点测量技术往往获得的流动信息量较少，难以对机舱内的较大空间的整体流场进行有效描述。同时传统单点测量技术为嵌入式测量，对测量区域流场有干扰，影响测量结果准确性。
全场测量技术主要是指借助光学手段对一定区域范围内的流场进行全场测量。其中，粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry，PIV)是一种较为先进的全场测量技术。PIV技术可以获得整个测量区域内的瞬时流场和平均流场信息，同时是非干扰式测量，对测量区域流场没有扰动。基于PIV技术，可以针对一些缩尺模型内的流动就行测量，如液力减速器(CN 103048114 B)、人体上呼吸道模型(CN 102564728 B)和城市空间缩尺模型(CN 100458372C)。由此可见，目前PIV技术基本只应用于小尺寸模型内部的流动测量。
PIV技术特点同样适用对机舱环境中复杂湍流流动进行全场无干扰测量。然而，在机舱环境中应用PIV技术还存在很多限制和不足。其中，最主要的不足就在于PIV测量区域尺寸受到光强度的限制，相对于整个机舱的尺寸来讲较小，不能获得大尺寸的舱内完整流动信息，无法满足舱内空气流动规律分析和优化设计的需求。现有研究尚缺乏针对机舱环境中大尺寸PIV测量的实验装置搭建和系统参数设置方法。因此，针对现有研究的不足，亟需开发一种适用于机舱内空气流动大尺寸PIV测量的实验装置及方法。
发明内容
为了克服现有测量技术存在的不足，本发明提供一种基于PIV技术的机舱内空气流动大尺寸测量实验装置，利用该装置进行测量可获得机舱内完整高分辨率时均流场数据，既可用于流场涡旋结构特征、雷诺应力分布以及相干结构等流动规律的分析，也可以为CFD数值计算结果提供高质量的对比验证数据。
本发明提出的一种基于PIV的机舱内空气流动大尺寸测量实验装置，包括大功率双脉冲激光器系统、粒子图像拍摄系统、同步控制器、示踪粒子烟雾发生器和计算机；所述大功率双脉冲激光器系统放置于所测量机舱模型的外部，包括大功率双脉冲激光器、导光臂、片光源透镜组以及用于支撑片光源透镜组的三维坐标架；所述大功率双脉冲激光器用于产生高能量的脉冲激光光束，保证所述粒子图像拍摄系统能记录大尺寸、高亮度的示踪粒子图像；所述脉冲激光光束通过所述导光臂和片光源透镜组产生高能量的激光片光源，所述激光片光源的张开角度为30度，在所测量子区域内的厚度为3-5mm；所述三维坐标架用于控制激光片光源的位置，照亮所测量子区域；所述粒子图像拍摄系统放置于所测量机舱模型的内部，用于记录示踪粒子图像；所述粒子图像拍摄系统包括高分辨率CCD相机和相机导轨；所述相机导轨用于对所述高分辨率CCD相机的位置进行定位，并垂直于激光片光源放置；所述高分辨率CCD相机采用双帧拍摄方式，记录很短跨帧时间内，两帧脉冲激光片光源照亮所测量子区域内的示踪粒子图像，并储存在相机存储器中；拍摄完成后，根据测量需求传输到所述计算机中；所述计算机通过同步控制器调控大功率双脉冲激光器和高分辨率CCD相机共同工作；所述示踪粒子烟雾发生器放置于所测量机舱模型上游送风管段的内部，通过远程遥控向所测量机舱模型内部发生示踪粒子；所述示踪粒子具有较好的空气流动跟随性和光学散射特性。
本发明一种基于PIV的机舱内空气流动大尺寸测量方法，利用上述基于PIV的机舱内空气流动大尺寸测量实验装置进行测量，将机舱测量截面划分成若干相对较小的测量子区域，根据大功率双脉冲激光器的输出能量，调整测量子区域的尺寸和数量；相邻测量子区域保留一定重叠区域；使用三维坐标架、片光源透镜组调节激光片光源束腰位置处于所测量子区域；使用相机导轨精确控制高分辨率CCD相机的位置，分别对各个测量子区域内的流场进行测量；使用示踪粒子烟雾发生器发生舞台烟油作为示踪粒子；根据测量子区域内预计最大的气流速度，选择合理的跨帧时间；使用计算机调控整个实验装置运行，获取测量过程中符合粒子浓度要求的每一时刻双帧示踪粒子图像；重复多次测量，增加示踪粒子图像样本数；使用计算机中存储的PIV分析软件对双帧粒子图像进行自适应互相关算法处理，获得每一时刻的瞬时流场信息；对各时刻的瞬时流场进行时间平均，得到各测量子区域内的时均流场；拼接各测量子区域内的时均流场，得到机舱截面完整高分辨率时均流场数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
克服传统PIV测量技术存在的不足，实现了对机舱内不同截面内非定常空气流动的大尺寸无干扰测量，获得准确的大尺寸时均流场数据。由于对整体截面进行了划分，所以测量截面选择方便灵活、范围全面。对于每个测量子区域均采用高分辨率CCD相机进行测量，因此整体测量空间分辨率高，获得的流场信息完整丰富。采用一个高分辨率CCD相机对每个测量子区域进行依次测量，相比采用多个相机同时测量，实验投资明显减少。高分辨率实验结果适用于机舱气流湍流特征分析，气流组织性能优化设计和CFD模拟验证。
附图说明
图1是本发明基于PIV的机舱内空气流动大尺寸测量实验装置示意图；
图2是机舱截面拼接测量子区域划分示意图。
图中：
1-大功率双脉冲激光器 2-导光臂 3-片光源透镜组
4-激光片光源 5-三维坐标架 6-高分辨率CCD相机
7-相机导轨 8-同步控制器 9-示踪粒子烟雾发生器
10-计算机 11-所测量机舱模型 12-测量子区域
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
如图1和图2所示，本发明提出的一种基于PIV的机舱内空气流动大尺寸测量实验装置，包括大功率双脉冲激光器系统、粒子图像拍摄系统、同步控制器8、示踪粒子烟雾发生器9和计算机10。
所述大功率双脉冲激光器系统放置于所测量机舱模型11的外部(图示中为透明部分的侧面)，所述大功率双脉冲激光器系统是整个测量系统的光源部分。所述大功率双脉冲激光器系统包括大功率双脉冲激光器1、导光臂2、片光源透镜组3以及用于支撑片光源透镜组3的三维坐标架5；所述大功率双脉冲激光器1用于产生高能量的脉冲光束，保证所述粒子图像拍摄系统能记录大尺寸、高亮度的示踪粒子图像；所述脉冲光束通过所述导光臂2和片光源透镜组3产生高能量的激光片光源4，所述激光片光源4的张开角度为30度，所述激光片光源4在所测量子区域的厚度为3-5mm，所述激光片光源4保证具有足够的示踪粒子散射光强用于所述粒子图像拍摄系统对于示踪粒子图像的记录；所述三维坐标架5用于控制激光片光源4照亮所测流场截面(即每次测量的所测量子区域12)的位置。
所述粒子图像拍摄系统放置于所测量机舱模型11的内部，并垂直于所述激光片光源4方向，用于记录示踪粒子图像；所述粒子图像拍摄系统包括高分辨率CCD相机6和相机导轨7，所述相机导轨7用于对所述高分辨率CCD相机6的位置进行精确定位，并垂直于激光片光源4放置；所述高分辨率CCD相机采用双帧拍摄方式，记录很短跨帧时间内，两帧脉冲激光片光源4照亮测量区域内的示踪粒子图像，并储存在相机存储器中；拍摄完成后，根据测量需求传输到所述计算机10中。
所述同步控制器8分别与大功率双脉冲激光器1、高分辨率CCD相机6和计算机10连接，所述计算机10通过同步控制器8控制大功率双脉冲激光器和高分辨率CCD相机之间的时序运行关系，保证二者同步工作。
所述示踪粒子烟雾发生器9放置于所测量机舱模型11上游送风管段的内部，用于发生示踪粒子，通过远程遥控向所测量机舱模型11内部发生示踪粒子；所述示踪粒子应保证良好的空气流动跟随性和光学散射特性。
所述计算机10通过同步控制器8调控整个实验装置的运转，所述计算机10中存储有PIV分析软件，利用该PIV分析软件对双帧示踪粒子图像进行自适应互相关计算。
利用上述基于PIV的机舱内空气流动大尺寸测量实验装置进行测量的方法，主要包括：使用三维坐标架5调整所述片光源透镜组3的位置，使用片光源透镜组3调节激光片光源4束腰位置(片光源最细的位置)，使激光片光源束腰处于所测流场截面；用相机导轨7控制高分辨率CCD相机6垂直于激光片光源4方向放置；向所测量机舱模型11内释放示踪粒子烟雾；使用同步控制器8调控大功率双脉冲激光器1和高分辨率CCD相机6同步工作，并记录测量过程中每一时刻的双帧示踪粒子图像；使用计算机10中PIV分析软件自适应互相关算法对双帧粒子图像进行处理，获得每一时刻的瞬时流场信息；对各时刻的瞬时流场进行时间平均，从而获得测量过程中的时均流场；拼接各测量子区域内的时均流场，得到机舱截面完整高分辨率时均流场数据。
由于机舱截面整体尺寸较大，故将所测流场截面划分为若干相对较小的测量子区域12。通过相机导轨控制高分辨率CCD相机位置，分别对每个测量子区域内部的时均流场按照上述方法进行测量。为减少定位和拼接的误差，相邻子区域之间保留有一定的重叠区域。将每个子区域的时均流场进行拼接，得到机舱内整体截面大尺寸时均流场。
进一步讲，具体测量过程及参数设置如下：
首先，打开大功率双脉冲激光器1，所述大功率双脉冲激光器1的最大输出脉冲能量推荐高于350mJ，由于机舱截面整体尺寸较大，故将所测流场截面划分为若干相对较小的测量子区域12；根据大功率双脉冲激光器的输出能量，调整测量子区域12的尺寸和数量，相邻测量子区域12保留一定重叠区域；根据测量子区域12和大功率双脉冲激光器1之间的距离，调节所述大功率双脉冲激光器1的输出脉冲能量，以保证不同测量子区域12的示踪粒子图像平均光强度基本一致；
所述大功率双脉冲激光器1产生高能量的双脉冲激光光束，双脉冲激光光束之间的间隔为跨帧时间，所述跨帧时间主要决定于测量子区域12内的最大空气流动速度，因此，根据测量子区域内预计最大的气流速度，选择合理的跨帧时间，跨帧时间必须保证两帧粒子图像之间每个查询区域内(Interrogation Area)粒子的位移不超过查询区域边长的1/4,同时不小于1个像素；结合理论和实际测试结果，在机舱气流条件下，可以根据式(1)在各测量子区域12选取不同的跨帧时间。
Umax(m/s)×Δt(μs)＝1500 (1)
式(1)中，Umax是指测量子区域12内预计最大的气流速度，单位是m/s；Δt是跨帧时间，单位为μs，由于机舱内不同区域的气流最大速度不同，如靠近风口区域速度较大，而机舱过道区域速度较小。因此，根据式(1)在每个子区域中选取不同的跨帧时间以保证测量结果的准确性。
双脉冲激光光束通过导管臂2以及片光源透镜组3形成激光片光源4。激光片光源4的张开角度为30度；调节三维坐标架5使激光片光源4与测量子区域12处于同一平面，调节片光源透镜组3使激光片光源4的束腰(片光厚度为3-5mm)处在测量子区域12。
将高分辨率CCD相机6放置在相机导轨7上，高分辨率CCD相机6垂直于激光片光源4放置，并位于所测量机舱模型11中。调节所述高分辨率CCD相机6的对焦环，使其能清晰拍摄所测量区域12内的粒子图像。测量过程中，利用相机导轨7控制所述高分辨率CCD相机6的测量位置，导轨控制精度不低于0.1cm，分别对各测量子区域12内的流场进行测量。
示踪粒子烟雾发生器9放置在所测量机舱模型11的上游送风管道内部。通过远程遥控的方式控制所述示踪粒子烟雾发生器9向机舱内释放示踪粒子烟雾，避免干扰机舱内流场。对于机舱环境流场，可以选取舞台烟油作为示踪粒子(液滴平均直径约为1.5微米，密度1.083g/cm3)，可以同时保证较好的粒子跟随性和光学散射特性。
使用计算机10调控整个实验装置运行，计算机10通过同步控制器8调控大功率双脉冲激光器1和高分辨率CCD相机6的同步工作，获得测量过程中符合粒子浓度要求的每一时刻的双帧示踪粒子图像。测量过程中示踪粒子浓度要适中，一般要保证每个查询区域内有10-20个粒子图像。因此，每次测量应选取符合粒子浓度要求的示踪粒子图像进行进一步计算。为减少时均流场结果统计误差，可以通过重复多次测量来增加符合要求的双帧示踪粒子图像样本数。通过理论分析和实际测试结果，双帧示踪粒子图像样本量达到180幅及以上时，可以满足时均流场信息统计准确性要求。
用计算机10中PIV分析软件的自适应互相关算法(Adaptive Correlation)对采集好的双帧示踪粒子图像进行计算处理，获得每一时刻的瞬时流场信息。实际测试结果表明，在各种PIV图像处理算法中，自适应互相关算法的对于机舱环境中的流场的计算结果最佳。该算法将双帧粒子图像分解为多个查询区域，一般取查询区域边长尺寸为64像素，相邻查询区域重叠率为25％。通过自适应互相关统计计算确定每个查询区域内的粒子位移矢量，将粒子位移矢量除以跨帧时间，就可以算出每个查询区域的速度矢量，进而获得整个测量区域内的速度场。由于测量范围尺寸较大，很容易造成粒子图像直径小于1像素的问题，影响计算精确度。因此一般需要配合高精度亚像素差值算法来避免这种计算误差。对各时刻的瞬时流场进行时间平均，得到各测量子区域内的时均流场。
图2是截面拼接测量子区域划分示意图。其中，每一个测量子区域12的面积大小可以根据大功率双脉冲激光器1的输出脉冲能量选择。激光器输出脉冲能量能达到350mJ时，通过5个测量子区域12就能获得整个机舱截面上的流动。一般情况下每50mJ的脉冲能量就可以满足10cm×10cm区域的测量需求。如果激光器输出脉冲能量降低，每一次测量的子区域面积减小，则需要通过增加子区域的数量来完成拼接测量。为减少定位和拼接误差，相邻子区域之间要保留重叠区域(重叠宽度一般为每个子区域长度的10％)。重叠区域内流场由相邻两个子区域在该重叠区域内流场各速度矢量的几何平均矢量组成。
将所有测量子区域的时均流场进行拼接，就可以得到机舱内整体截面大尺寸、高分辨率的时均流场数据。流场数据可用于对流场细节涡旋结构、雷诺应力分布及相干结构等流场特征的分析、机舱内气流组织性能的优化设计以及验证CFD数值计算结果。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (2)
1.一种基于PIV的机舱内空气流动大尺寸测量实验装置，其特征在于，包括大功率双脉冲激光器系统、粒子图像拍摄系统、同步控制器(8)、示踪粒子烟雾发生器(9)和计算机(10)；
所述大功率双脉冲激光器系统放置于所测量机舱模型(11)的外部，包括大功率双脉冲激光器(1)、导光臂(2)、片光源透镜组(3)以及用于支撑片光源透镜组(3)的三维坐标架(5)；所述大功率双脉冲激光器(1)用于产生高能量的脉冲激光光束，保证所述粒子图像拍摄系统能记录大尺寸、高亮度的示踪粒子图像；所述脉冲激光光束通过所述导光臂(2)和片光源透镜组(3)产生高能量的激光片光源(4)，所述激光片光源(4)的张开角度为30度，在所测量子区域(12)内的厚度为3-5mm；所述三维坐标架(5)用于控制激光片光源(4)的位置，照亮所测量子区域(12)；
所述粒子图像拍摄系统放置于所测量机舱模型(11)的内部，用于记录示踪粒子图像；所述粒子图像拍摄系统包括高分辨率CCD相机(6)和相机导轨(7)；所述相机导轨(7)用于对所述高分辨率CCD相机(6)的位置进行定位，并垂直于激光片光源(4)放置；所述高分辨率CCD相机采用双帧拍摄方式，记录很短跨帧时间内，两帧脉冲激光片光源(4)照亮所测量子区域(12)内的示踪粒子图像，并储存在相机存储器中；拍摄完成后，根据测量需求传输到所述计算机(10)中；所述计算机(10)通过同步控制器(8)调控大功率双脉冲激光器(1)和高分辨率CCD相机(6)共同工作；
所述示踪粒子烟雾发生器(9)放置于所测量机舱模型(11)上游送风管段的内部，通过远程遥控向所测量机舱模型(11)内部发生示踪粒子；所述示踪粒子具有较好的空气流动跟随性和光学散射特性。
2.一种基于PIV的机舱内空气流动大尺寸测量方法，其特征在于，利用如权利要求1所述基于PIV的机舱内空气流动大尺寸测量实验装置进行测量，包括：
将机舱测量截面划分成若干相对较小的测量子区域(12)，根据大功率双脉冲激光器(1)的输出能量，调整测量子区域(12)的尺寸和数量；相邻测量子区域(12)保留一定重叠区域；使用三维坐标架(5)、片光源透镜组(3)调节激光片光源(4)束腰位置处于所测量子区域(12)；使用相机导轨(7)精确控制高分辨率CCD相机(6)的位置，分别对各个测量子区域(12)内的流场进行测量；使用示踪粒子烟雾发生器(9)发生舞台烟油作为示踪粒子；根据测量子区域(12)内预计最大的气流速度，选择合理的跨帧时间；使用计算机(10)调控整个实验装置运行，获取测量过程中符合粒子浓度要求的每一时刻双帧示踪粒子图像；重复多次测量，增加示踪粒子图像样本数；使用计算机(10)中存储的PIV分析软件对双帧粒子图像进行自适应互相关算法处理，获得每一时刻的瞬时流场信息；对各时刻的瞬时流场进行时间平均，得到各测量子区域(12)内的时均流场；拼接各测量子区域(12)内的时均流场，得到机舱截面完整高分辨率时均流场数据。
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