CN106568386A - 一种基于持续烟线的空间流场自动化测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于持续烟线的空间流场自动化测量装置，包括风洞、实验物体，所述的实验物体位于风洞的出口处前方，实验物体上方安装有三维物体扫描装置；所述的风洞出口处以及实验物体之间安装自动给丝装置以及持续烟线发生装置；所述的风洞的侧面安装有片光源激光自动定位装置；所述的实验物体后方安装有图像记录装置；还包括智能中央控制系统；本发明还公开了自动化测量装置的测量方法；该方法能够实现持续发烟，实现机构运行自动化；同时基于持续烟线的空间流场测量全过程在智能中央控制系统的控制下自动化实现，避免人工操作，提高工作效率。

Description

一种基于持续烟线的空间流场自动化测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种流场显示实验装置，具体讲是一种基于持续烟线的空间流场自动化测量装置及测量方法。

背景技术

为了认识流动现象的基本实质，对流场结构的研究是必不可少的。其研究方法可分为三类：实验、理论分析和数值计算。其一，理论分析是指通过实验或观察，抽象得出近似的理论模型，能够用数学方法揭示问题的内在规律。然而，由于理论模型抽象的简化和数学发展水平的限制，运用理论分析对解决复杂的实际问题存在不足。其二，随着计算机性能的进步和不断发展的计算方法，数值计算能对越来越多的流动现象进行模拟模拟，精度也在不断提高；但是，数值计算的方法可靠性较差，模拟结果不一定与真实流场结构吻合，因此在实际运用过程中也存在诸多弊端。其三，通过实验研究方法得到的结果准确可靠，相对于以上两种方法具体优势，但实验研究的方法对实验条件要求较高，且往往耗费大量的人力物力，限制了实验研究方法的广泛运用，因此发展合适的实验装置对实验研究具有重要的意义。

烟线流场显示作为常用的流场显示方式之一，可用于观察烟流绕流，显示迹、流动分离等。现有的显示方式还有油流法、丝线法等，但是这些方法只能显示壁面流动的流动显示技术，其相较油流法、丝线法，烟线流场显示具有可呈现空间结构的特点；同时相对于PIV粒子图像测速、纹影法可显示空间区域的方式，烟线流场显示又有着对设备要求简单、装置价格低的优点。然而，传统的烟线流场显示方法在实验前需要人工涂抹烟线，主要是利用粘度较大的甘油或石蜡油在烟线上结成的小液珠进行加热产生烟流，操作繁琐且流场显示时间短，人工涂抹发烟剂引起的流场显示时间较短(单次涂抹的小液珠消耗时长为2min以内)；又因为单根烟线的显示范围有限，故需要人为调节烟线数目和间距；同时为了得到三维空间结构，需测量多个片光区域，人为给定测量截面；这些都不可避免地增加了众多的人工步骤，不利于实现自动化测量，提高工作效率。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种基于持续烟线的空间流场自动化测量装置及测量方法，克服了目前的传统烟线持续时间短、人工操作环节多的弊端，实现了自动化工作以及持续发烟。

本发明是这样实现的，一种基于持续烟线的空间流场自动化测量装置，包括风洞、实验物体，所述的风洞的出口处前方设置有实验物体，实验物体上方安装有三维物体扫描装置；所述的风洞出口处以及实验物体之间安装自动给丝装置以及持续烟线发生装置；所述的风洞的侧面安装有片光源激光自动定位装置；所述的实验物体后方安装有图像记录装置；还包括智能中央控制系统。

进一步，所述的三维物体扫描装置包括CCD相机和数字投影仪；打开数字投影仪，其不需另加光学系统结构制作光栅，通过软件编码技术直接投射出经过设计的光栅；照射到实验物体上时，光栅随着物体表面产生变形；CCD相机获取变形光栅图像，将数据传送到智能中央控制系统，依据一定的算法可得到实验物体的几何尺寸；软件编码技术是基于编码结构光法对实验物体进行三维数字化重建，根据物体的实际尺寸，自动计算出所需烟线和激光片光截面的数目和位置，以指导后续其他装置的自动化测量，提高工作效率。

进一步，所述的自动给丝装置包括坐标架、电动夹、滑块、运动控制器、卷簧、顶块、烟线收纳盒和悬挂杆；该装置能实现自动供给所需数目的烟线，并定位于指定位置。这使得流场显示区域可根据扫描得到的物体几何尺寸的不同，而随之自动扩展，不需人工进行烟线组的布置。

进一步，所述的滑块安装在坐标架上；所述的电动夹置于滑块上；所述的运动控制器设置于坐标架的端部；所述的卷簧安装于收纳盒上端的凸起内部；所述的顶块安装于烟线收纳盒的凸起槽内。

进一步，所述的持续烟线发生装置包括可调节电源、导线、正极电金属棒、挂钩、发烟液、存储液罐、电动阀门、发烟剂流速稳定件、发烟剂附着层、电热丝和负电极金属棒；发烟剂附着层、电热丝构成了复合发烟件；可调节电源输出电流，电动阀门打开，原存储于存储液罐中的发烟液由于重力作用流出，其流速与电流大小相关，以保证不同使用环境都能产生均匀合适的烟流，避免烟流产生过少或过多；该装置采用重力式供给发烟剂，无需额外增加动力；并通过改进传统结构电热丝为复合发烟件，实现了重力供给方式发烟的持续性。由于发烟剂多使用粘度较大的有机溶剂，如甘油、石蜡油等，其粘滞阻力较大，从存储液罐滴落时呈现周期性的较大颗粒状态，造成供给的不均匀。为此在电热丝上方布置有发烟剂流速稳定件，采用环保耐高温材质的多层硅酸铝纤维滤网使得液滴能够经过缓冲呈现渗出状态流至电热丝上。其次由于传统结构电热丝金属表面较为光滑，同时工作时需暴露于风洞来流，这使得液滴会很快被吹落，发烟剂在电热丝的浸湿长度过短，造成烟流区域达不到实验要求。为此在电热丝上附加发烟剂附着层，其采用具有安全耐高温、耐油水汽腐蚀、使用寿命长的硅酸铝纤维纱线；使得在风洞开风时，发烟剂能持续分布于复合发烟件上，烟流产生效果好。

进一步，所述的存储液罐位于电动阀门上方；所述的发烟剂流速稳定件位于电动阀门的下方；所述的发烟剂流速稳定件为多层硅酸铝纤维材质的滤网；所述的电热丝位于发烟剂流速稳定件下方，发烟剂流速稳定件与电热丝间设置有正极电金属棒；所述的电热丝与正极电金属棒、负电极金属棒接触形成回路，发热生成持续烟流；滤网使得粘度较大的发烟液滴能够经过缓冲呈现渗出状态流至电热丝上；电热丝附加硅酸铝纤维纱线作为发烟剂附着层，使得发烟液持续分布于复合发烟件。

进一步，所述的片光源激光自动定位装置包括连续片光激光器、坐标架、运动控制器。

进一步，所述的连续片光激光器位于坐标架的上端；所述的运动控制器位于坐标架的端部；运动控制器依据智能中央控制系统发出的指令精确调节片光位置，并可对流场截面实时进行扫描，经过后期处理将多截面显示结果组合得到空间流场结构。

本发明还公开了一种基于持续烟线的空间流场自动化测量装置的测量方法，具体步骤如下：

（1）智能中央控制系统发出指令至三维物体扫描装置，获取实验物体的几何尺寸；

（2）根据几何尺寸，智能中央控制系统再发出指令至自动给丝装置给出给出所需的烟线数目并将烟线定位到指定位置；

（3）烟线到达指定位置后，智能中央控制系统发出指令至持续烟线发生装置，以产生烟流；

（4）随后，智能中央控制系统发出指令至片光源激光自动定位装置，在指定测量截面处形成激光片光；

（5）最后，智能中央控制系统发出指令至图像记录装置记录，开启风洞后的截面流场图像；多截面结果的组合可获得三维流场显示结果。

本发明相较于现有技术的有益效果在于：

（1）首先采用基于编码结构光法的三维物体扫描装置得到实验物体的几何尺寸，该方法具有无接触、速度快、装置简洁、精度较高的特点，测得的数据用于自动化分析烟线和激光截面的数目和布置；

（2）其次针对传统烟线需人工涂抹发烟剂且烟流持续时间短的弊端，采用持续烟线发生装置将重力式供给、预先整流和复合发烟件的多方式的结合，实现持续发烟，可用于观测随时间变化明显的非定常流场，也可实现流场长时间的持续扫描工作；

（3）自动给丝装置和片光源激光自动定位装置，实现机构运行自动化；同时基于持续烟线的三维空间流场测量全过程在智能中央控制系统的控制下自动化实现，避免人工操作，提高工作效率。

附图说明

图1是本发明一种基于持续烟线的空间流场自动化测量装置及测量方法的实验装置示意图；

图2是本发明本发明一种基于持续烟线的空间流场自动化测量装置及测量方法的三维物体扫描装置结构图；

图3是本发明本发明一种基于持续烟线的空间流场自动化测量装置及测量方法的自动给丝装置结构图；

图4是本发明本发明一种基于持续烟线的空间流场自动化测量装置及测量方法的持续烟线发生装置结构图；

图5是本发明本发明一种基于持续烟线的空间流场自动化测量装置及测量方法的片光源激光自动定位装置结构图；

其中，1-风洞，2-三维物体扫描装置，2-1 CCD相机，2-2数字投影仪，3-自动给丝装置，3-1坐标架，3-2电动夹，3-3滑块，3-4运动控制器，3-5卷簧，3-6顶块，3-7烟线收纳盒，3-8悬挂杆，4-持续烟线发生装置，4-1可调节电源，4-2导线，4-3正极电金属棒，4-4挂钩，4-5发烟液，4-6存储液罐，4-7电动阀门，4-8发烟剂流速稳定件，4-9发烟剂附着层，4-10电热丝，4-11负电极金属棒，5-片光源激光自动定位装置，5-1连续片光激光器，5-2坐标架，5-3运动控制器，6-图像记录装置，7-智能中央控制系统，8-实验物体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提出的一种基于持续烟线的空间流场自动化测量装置进行详细说明。

如图1所示，本发明中的基于持续烟线的空间流场自动化测量装置包括风洞1、三维物体扫描装置2、自动给丝装置3、持续烟线发生装置4、片光源激光自动定位装置5、图像记录装置6、智能中央控制系统7。

风洞1的出口处前方设置有实验物体8，实验物体8上方安装有三维物体扫描装置2；风洞1出口处以及实验物体8之间安装自动给丝装置3以及持续烟线发生装置4；风洞1的侧面安装有片光源激光自动定位装置5；实验物体后方安装有图像记录装置6。

三维物体扫描装置2包括CCD相机2-1和数字投影仪2-2；自动给丝装置3包括坐标架3-1、电动夹3-2、滑块3-3、运动控制器3-4、卷簧3-5、顶块3-6、烟线收纳盒3-7和悬挂杆3-8，滑块3-3安装在坐标架3-1上；电动夹3-2置于滑块3-3上；运动控制器3-4设置于坐标架3-1的端部；卷簧3-5安装于收纳盒3-7上端的凸起内部；顶块3-6安装于烟线收纳盒3-7的凸起槽内；持续烟线发生装置4包括可调节电源4-1、导线4-2、正极电金属棒4-3、挂钩4-4、发烟液4-5、存储液罐4-6、电动阀门4-7、发烟剂流速稳定件4-8、发烟剂附着层4-9、电热丝4-10和负电极金属棒4-11；发烟剂附着层4-9、电热丝4-10构成了复合发烟件，存储液罐4-6位于电动阀门4-7上方；所述的发烟剂流速稳定件4-8位于电动阀门4-7的下方；发烟剂流速稳定件4-8为多层硅酸铝纤维材质的滤网；电热丝4-10位于发烟剂流速稳定件4-8下方，发烟剂流速稳定件4-8与电热丝4-10间设置有正极电金属棒4-3；所述的电热丝4-10与正极电金属棒4-3、负电极金属棒4-11接触形成回路，发热生成持续烟流。片光源激光自动定位装置5包括连续片光激光器5-1、坐标架5-2、运动控制器5-3，连续片光激光器5-1位于坐标架5-2的上端；所述的运动控制器5-3位于坐标架5-2的端部；运动控制器5-3依据智能中央控制系统7发出的指令精确调节片光位置，并可对流场截面实时进行扫描，经过后期处理将多截面显示结果组合得到流场三维结构。

实验物体安装完成后智能中央控制系统7发出指令至三维物体扫描装置2以获得实验件的各方向的几何尺寸。依据测得的实验件尺寸，智能中央控制系统7发出指令到自动给丝装置3，自动给丝装置3给出所需的烟线数目并将烟线定位到指定位置。烟线就位后，智能中央控制系统7发出指令至持续烟线发生装置4工作产生烟流。随后智能中央控制系统7发出指令至片光源激光自动定位装置5，在指定测量截面处形成激光片光。最后，智能中央控制系统7发出指令至图像记录装置6记录开启风洞后的截面流场图像，多截面结果的组合可获得三维流场显示结果。

本发明基于持续烟线的空间流场自动化测量装置的测量方法，具体步骤如下：

如图2~5所示，所述三维物体扫描装置2包括CCD相机2-1和数字投影仪2-2。打开数字投影仪2-2，其不需另加光学系统结构制作光栅，通过软件编码技术直接投射出经过设计的光栅；照射到实验物体上时，光栅随着物体表面产生变形；CCD相机2-1获取变形光栅图像，将数据传送到智能中央控制系统7，可得到实验物体的几何尺寸。

然后由智能中央控制系统计算出所需的烟线数目、测量截面数目和它们相对于实验物体的位置。如图3~4所示，接着发出指令至自动给丝装置，给出所需数目的烟线并走到指定位置；所需烟线组就位后，持续烟线发生装置开始工作产生持续的烟流。

如图3所示，所述自动给丝装置3包括坐标架3-1、电动夹3-2、滑块3-3、运动控制器3-4、卷簧3-5、顶块3-6、烟线收纳盒3-7和悬挂杆3-8。顶块3-6托住放置于烟线收纳盒3-7中的多组烟线，卷簧3-5提供弹力使烟线到达烟线收纳盒中3-7的一端，为下次夹取烟线做好准备。如图3中A的细节放大图所示。滑块3-3能在坐标架3-1上做平移运动，电动夹3-2置于滑块3-3上；通电时电动夹3-2即可闭合夹取烟线，运动控制器3-4控制滑块3-3运动，电动夹3-2松开烟线即可被送至悬挂杆3-8的设定位置；当前一个烟线被送至设定位置，滑块回复到起始位置，下一个烟线可被运送，由此不断往复循环，将所需烟线都送至设定位置。

如图4所示，所述持续烟线发生装置4包括可调节电源4-1、导线4-2、正极电金属棒4-3、挂钩4-4、发烟液4-5、存储液罐4-6、电动阀门4-7、发烟剂流速稳定件4-8、发烟剂附着层4-9、电热丝4-10和负电极金属棒4-11。其中图4中A图为发烟液4-5、存储液罐4-6、电动阀门4-7、发烟剂流速稳定件4-8间连接关系的细节图；可调节电源4-1输出电流，电动阀门4-7打开，原存储于存储液罐4-6中的发烟液4-5由于重力作用流出，其流速与电流大小相关，以保证不同使用环境都能产生均匀合适的烟流，避免烟流产生过少或过多；发烟液4-5自存储液罐4-6流出后经过发烟剂流速稳定件4-8，发烟剂流速稳定件4-8为采用多层硅酸铝纤维材质的滤网，使得粘度较大的发烟液滴能够经过缓冲呈现渗出状态流至电热丝4-10上；如图4中的B-B所示，其为电热丝4-10的B-B向剖视图，电热丝4-10附加硅酸铝纤维纱线作为发烟剂附着层4-9，使得发烟液4-5持续分布于复合发烟件，电热丝4-10与正极电金属棒4-3、负电极金属棒4-11接触形成回路，发热生成持续烟流。

如图5所示，所述连续片光激光器5-1连接在坐标架5-2上，运动控制器5-3依据智能中央控制系统7发出的指令精确调节片光位置，片光照射在工作截面；开启风洞，图像记录装置6记录下每个截面的二维空间流场；多截面测量结果的组合生成所需的三维流场空间。

Claims (9)

1.一种基于持续烟线的空间流场自动化测量装置，包括风洞（1）、实验物体（8），其特征在于，所述的风洞（1）的出口处前方设置有实验物体（8），实验物体（8）上方安装有三维物体扫描装置（2）；所述的风洞（1）出口处以及实验物体（8）之间安装自动给丝装置（3）以及持续烟线发生装置（4）；所述的风洞（1）的侧面安装有片光源激光自动定位装置（5）；所述的实验物体后方安装有图像记录装置（6）；所述的装置还包括智能中央控制系统（7）。

2.根据权利要求1所述的基于持续烟线的空间流场自动化测量装置，其特征在于，所述的三维物体扫描装置（2）包括CCD相机（2-1）和数字投影仪（2-2）。

3.根据权利要求1所述的基于持续烟线的空间流场自动化测量装置，其特征在于，所述的自动给丝装置（3）包括坐标架（3-1）、电动夹（3-2）、滑块（3-3）、运动控制器（3-4）、卷簧（3-5）、顶块（3-6）、烟线收纳盒（3-7）和悬挂杆（3-8）。

4.根据权利要求3所述的基于持续烟线的空间流场自动化测量装置，其特征在于，所述的滑块（3-3）安装在坐标架（3-1）上；所述的电动夹（3-2）置于滑块（3-3）上；所述的运动控制器（3-4）设置于坐标架（3-1）的端部；所述的卷簧（3-5）安装于收纳盒（3-7）上端的凸起内部；所述的顶块（3-6）安装于烟线收纳盒（3-7）的凸起槽内。

5.根据权利要求1所述的基于持续烟线的空间流场自动化测量装置，其特征在于，所述的持续烟线发生装置（4）包括可调节电源（4-1）、导线（4-2）、正极电金属棒（4-3）、挂钩（4-4）、发烟液（4-5）、存储液罐（4-6）、电动阀门（4-7）、发烟剂流速稳定件（4-8）、发烟剂附着层（4-9）、电热丝（4-10）和负电极金属棒（4-11）。

6.根据权利要求5所述的基于持续烟线的空间流场自动化测量装置，其特征在于，所述的存储液罐（4-6）位于电动阀门（4-7）上方；所述的发烟剂流速稳定件（4-8）位于电动阀门（4-7）的下方；所述的发烟剂流速稳定件（4-8）为多层硅酸铝纤维材质的滤网；所述的电热丝（4-10）位于发烟剂流速稳定件（4-8）下方，发烟剂流速稳定件（4-8）与电热丝（4-10）间设置有正极电金属棒（4-3）；所述的电热丝（4-10）与正极电金属棒（4-3）、负电极金属棒（4-11）三者接触形成回路。

7.根据权利要求1所述的基于持续烟线的空间流场自动化测量装置，其特征在于，所述的片光源激光自动定位装置（5）包括连续片光激光器（5-1）、坐标架（5-2）、运动控制器（5-3）。

8.根据权利要求7所述的基于持续烟线的空间流场自动化测量装置，其特征在于，所述的连续片光激光器（5-1）位于坐标架（5-2）的上端。

9.一种基于持续烟线的空间流场自动化测量装置的测量方法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）智能中央控制系统（7）发出指令至三维物体扫描装置（2），获取实验物体（8）的几何尺寸；

（2）根据几何尺寸，智能中央控制系统（7）再发出指令至自动给丝装置（3）给出给出所需的烟线数目并将烟线定位到指定位置；

（3）烟线到达指定位置后，智能中央控制系统（7）发出指令至持续烟线发生装置（4），以产生烟流；

（4）随后，智能中央控制系统（7）发出指令至片光源激光自动定位装置（5），在指定测量截面处形成激光片光；

（5）最后，智能中央控制系统（7）发出指令至图像记录装置（6）记录，开启风洞后的截面流场图像；多截面结果的组合可获得三维流场显示结果。