CN106979853A - 一种用于流动显示、测量的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于流动显示、测量的实验装置及方法，包括用于连接在风洞上的实验腔，实验腔的底部可拆卸的连接有射流板，射流板下部连接有集气腔，且集气腔通过射流板上的射流孔与实验腔连通，集气腔的底部通过软管和过渡接头依次连接有流量计、稳流阀、稳压阀、烟雾器以及空压机；实验腔的后侧设置有升降台，升降台上连接有二维移动滑台，二维移动滑台的底部连接有光源设备，实验腔的顶部设有供光源通过的槽缝，实验腔的外侧设有正对实验腔的数据采集设备，且数据采集设备电连接至计算机。本发明适用于不同类型规格风洞，对流场干扰小，显示效果好，测量准确，成本低。

Description

一种用于流动显示、测量的实验装置及方法

技术领域

本发明属于流体力学实验技术领域，具体涉及一种用于流动显示、测量的实验装置及方法。

背景技术

流体实验总体上包括流动显示和流动测量。流动显示实验主要任务是使流体流动过程可视化，而流动测量主要是获取流体流动过程定量化信息，它们相辅相成，是实验流体力学的组成部分。通过各种流动显示与测量实验，可以使人们了解复杂流动现象，探索物理机制和运动规律，为建立新概念和数学模型提供科学依据。流动显示与测量技术本身也是解决实际工程问题的主要手段。可以说，在流体力学发展过程中每一次理论上的突破及其工程中的应用，几乎都是从对流动现象的观察开始。如1880年的雷诺转捩实验，1888年的马赫激波现象实验，1904年普朗特提出边界层的概念，1912年冯卡门对圆柱体绕流涡街分析等，无一不是以流动显示和测量的结果为基础，而对流动现象的深入分析又是建立和验证新概念、发现新规律的关键。在航空航天领域涉及到的流动状况更加复杂多变，尤以航空发动机内部的流动为甚，作为“工业上的皇冠明珠”，航空发动机燃烧室燃气出口温度越来越高，透平叶片的冷却也显得更加重要、突出，气膜冷却便是一种重要的冷却方式，但对气膜冷却的研究更多集中于冷却效率上，而利用实验手段，结合冷却性能分析，从流动机理或者气流掺混机理的角度分析气膜冷却特性的研究很少。实际叶片形状复杂，气膜孔多，而平板单孔射流可以相对容易地研究各个参数所带来的影响，同时又不失一般性，也因此利用实验手段，从流动特性的角度研究高温燃气流与冷却气体的掺混，以好的流动显示、测量方法获取流场中的涡系结构，继而从复杂流动结构特性的角度来揭示掺混机理具有创新性。鉴于此，如何设计一种现实可行，流动结构显示清晰，对流场干扰小，便于流场显示、测量、改造，实验结果准确可靠的实验装置及方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于流动显示、测量的实验装置及方法，以克服现有技术中的问题，本发明适用于不同类型规格风洞，流体力学中经典的问题——横向射流中流动结构的流动显示、测量实验，对流场干扰小，显示效果好，测量准确，成本低；实验方法结果精度高，操作简便易行；便于进行改装以进行其他的流体实验。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于流动显示、测量的实验装置，包括用于连接在风洞上的实验腔，实验腔的底部可拆卸的连接有射流板，射流板下部连接有集气腔，且集气腔通过射流板上的射流孔与实验腔连通，集气腔的底部通过软管和过渡接头依次连接有流量计、稳流阀、稳压阀、烟雾器以及空压机；

实验腔的后侧设置有升降台，升降台上连接有二维移动滑台，二维移动滑台的底部连接有光源设备，实验腔的顶部设有供光源通过的槽缝，实验腔的外侧设有正对实验腔的数据采集设备，且数据采集设备电连接至计算机。

进一步地，实验腔的壁面均为透明亚克力板。

进一步地，实验腔后端的壁面内侧设置有遮光布。

进一步地，数据采集设备正对设置有遮光布的壁面。

进一步地，射流板下部表面上均匀地刻有若干刻度线，且相邻的刻度线之间的间距等于射流孔孔径。

进一步地，数据采集设备为超高速相机或CCD相机。

一种用于流动显示、测量的实验方法，采用上述用于流动显示、测量的实验装置，包括以下步骤：

步骤一：将实验腔连接到风洞的收缩段和扩张段之间；

步骤二：将升降台和二维移动滑台进行装配，装配后放置在实验腔的一侧，并在此侧的实验腔壁面内侧悬挂遮光布；

步骤三：将光源设备安装在二维移动滑台上，通过升降台和二维移动滑台将光源设置调整至合适位置；

步骤四：安装并调整数据采集设备，使数据采集设备正对设置有遮光布的壁面；

步骤五：启动风洞风机，调节风机选择频率，使主流满足实验要求；

步骤六：打开稳流阀和稳压阀，启动空压机，调节稳流阀和稳压阀的开口大小，观察流量计示数，使射流满足实验要求；

步骤七：启动数据采集设备及计算机中控制软件；

步骤八：调整数据采集设备的空间位置，通过控制软件窗口观察效果，将其空间位置调至合适；

步骤九：调整片光源设备的位置及亮度，通过控制软件窗口观测实际效果，从而使得效果最佳；

步骤十：对控制软件上的参数进行调整，使其满足实验要求，开始实验。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明装置采用实验腔和射流板分离的形式，避免了进行不同射流角度的实验时，整体更换实验腔，既保证了实验的顺利进行，减小实验误差，又节约了成本，也可相应的移植到其他实验中，我们可以通过对实验进行深入分析，考虑主要问题、矛盾，实验时可以将射流板长宽设置的比要研究的范围多出一定尺寸，射流板与实验腔的配合处加工精度要高，保证嵌合准确，同时不需要对实验腔进行拆卸，相应的其他光源设备和测试、测量仪器就可以稳定在原处，再加上准确的嵌入配合就可以使得实验在相同条件下进行，减小因重新安装实验腔、调整设备、仪器等外界因素的干扰造成的误差；另外实验中要求片光源设备或者脉冲光源设备在三维空间中进行较为准确的移动、定位，传统上都是利用现有的三维移动台实现，但是其价格昂贵，而且风洞位置固定，难以有规格类型合适的三维移动台，基于此，本发明采用升降台和二维移动滑台，既可以准确的实现实验要求，成本又较为低廉。

进一步地，实验腔采用高透光率的亚克力板制作，同时在一侧悬挂遮光布，既保证了所获取的实验数据的清晰又可以避免由于外界光源的反射造成的在实验腔表面的影像干扰，亚克力板以其优异的高透光率特性被广泛应用与诸多流体实验研究，但有时实验时会由于亚克力的镜面反射造成外界无关事物的进入，对显示结果造成干扰，对流动显示结果的分析造成严重错误，本发明通过加装遮光布很好的解决了此问题，根据实验结果的前后对比，发现加装遮光布后流动实验显示效果非常好，外界无关的干扰几乎全部消失。

在没有加装遮光布之前，进行实验时，由于亚克力板的镜面效果非常显著，导致获取的流动结果无关干扰很多，比如外界环境中的门窗、其他设备都会投影到实验段的亚克力平板表面，使得获取的实验结果中包含了无关杂物，难以进行深入分析，而加装遮光布之后，获取的实验结果背景颜色遮光布颜色，颜色单一，那么流动结果就是实际的流动状态。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明连接在风洞上的示意图。

其中，1、实验腔；2、射流板；3、软管；4、过渡接头；5、流量计；6、稳流阀；7、稳压阀；8、烟雾器；9、空压机；10、升降台；11、二维移动滑台；12、遮光布；13、光源设备；14、数据采集设备；15、空气；16、蜂窝罩；17、尼龙滤网；18、稳定段；19、收缩段；20、试验段；21、扩张段；22、出口段；23、风机；24、集气腔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

参见图1，一种用于流动显示、测量的实验装置，包括实验腔1，为了能使流动显示效果清晰，实验腔1采用的材质为高透光率的亚克力板，板材的厚度需要合理选择：在保证强度、不发生明显变形时厚度尽量减小。而在实验腔1的底部加工有用来镶嵌的台阶面，相应的，射流板2制成与之配合的台阶面，在射流板2的底部，连接有集气腔24，同时在集气腔24一侧的射流板2表面上刻有间距为射流孔径的刻度线，以便实验时能对孔下游距离在不干扰实验进行的前提下准确掌控，因为进行此实验时会有光照强度很大的补充光源，且补充光源的波长为532nm，非常刺眼，如果没有刻度线，会使得每次进行实验时要对下游距离进行测量，需要持工具测量，就会使得效率较低，对身体也有造成危害的可能；在实验腔1的上部开有一条槽缝，方便片光或者脉冲光源的进入且不造成折射，以免影响实验结果的准确性，槽缝的长度可根据实验要获取的流动范围及片光或者脉冲光源的截线处长度综合确定；实验腔1的后侧壁面内侧悬挂遮光布12，因为进行实验时亚克力板有时会显现出平面镜的效果；在实验腔1的上部悬挂有产生片光或者产生脉冲激光的光源设备13，用以将特定部分打亮；承载或者悬挂光源设备13的是二维移动滑台11，可以方便的对光源设备13在一个二维平面内进行准确移动、定位；与二维移动滑台11相连的是能在垂直方向升降的升降台10，这样就实现光源设备的三维定位且成本低廉；升降台10负责光源设备13的负载，同时又要与二维移动滑台11稳定连接；与集气腔24底部相连接的为气体输送管路，在软管3上安装有流量计5、稳流阀6、稳压阀7、烟雾器8，气源则由空压机9提供；整套实验装置组装完毕之后即可根据需要来搭建相关测试仪器，包括数据采集设备14在三脚架上的安装，位置调整，或者PIV系统的安装、调试。

下面对本发明的操作过程做详细描述：

1、将实验腔1安装在风洞试验段20，即收缩段19和扩张段21之间，收缩段19的入口端连接稳定段18，稳定段18的入口处设置有蜂窝罩16和尼龙滤网17，空气15依次经过蜂窝罩16和尼龙滤网17后进入稳定段18，扩张段21的后侧连接出口段22，出口22的尾部设置风机23，参见图2在实验腔1接入之前，为防止实验腔1与风洞连接处出现跑风漏气，在实验腔1法兰盘和风洞法兰盘对接面分别粘接有EVA海绵密封软垫，宽度和厚度可以根据实际情况酌情选定，既能起到密封作用，也可以避免风洞自身可能产生的振动传递至实验腔1，将实验腔1上下左右方向调整正确，并将实验腔1螺栓孔与风洞螺栓孔中心线对齐，利用螺栓、螺母、垫片将实验腔1固定在风洞上；

2、在放置升降台10的实验腔侧悬挂遮光布12，将升降台10水平稳定的放置在地面上，调整好位置后，把两个一维滑台进行组合形成二维移动滑台11，将二维移动滑台11稳定可靠的固定在升降台10的升降机构上；

3、将光源承载机构固定于二维移动滑台11上，再将二维移动滑台11、光源设备13稳定可靠的固定在负载机构上，利用升降台10和二维移动滑台11组成的三维效果对光源设备13的空间位置进行调整；

4、将气道管路与射流板2底部的集气腔24进行连接(G1/4的管螺纹连接，利用生料带包覆外螺纹在进行连接以防气体泄漏)，继而将射流板2通过实验腔1底部的空间小心放置在实验腔底部的配合台阶上，而在台阶嵌合处利用胶带封粘；

5、将气体输送管路和流量计5，稳流阀6，稳压阀7，烟雾器8连接，由于各仪器的螺纹规格、管道内径并不完全统一，在连接处采用转接头、不同内径尺寸的软管3进行衔接；

6、将数据采集设备14(超高速相机或CCD相机)平稳可靠的安装在三脚架上，并根据实际情况进行位置调整，在满足视野范围的前提下，进行清晰度、片光源光照强度的调整，使得成像效果最佳(若利用CCD设备除了要成像清晰外，还要避免强光进入CCD相机镜头，以免设备内部的元件烧损，超高速相机则不用考虑此问题)，整套装置的立体图如图2所示；

7、启动风洞风机，调节风机选择频率，使主流满足实验要求；

8、打开稳流阀6和稳压阀7，启动空压机9，调节稳流阀6和稳压阀7的开口大小，观察流量计5示数，使射流满足实验要求；

9、启动数据采集设备14及计算机中用于控制启动数据采集设备14的控制软件；

10、调整数据采集设备14的空间位置，通过控制软件窗口观察效果，将其空间位置调至合适；

11、调整片光源设备13的位置及亮度，通过控制软件窗口观测实际效果，从而使得效果最佳；

12、对控制软件上的参数进行调整，使其满足实验要求，开始实验，进行不同雷诺数、射流角、速度比的流动信息测量、采集。研究速度比时，可以保持离心风机23旋转频率不便，调节射流管路的稳流阀6和稳压阀7开口大小；而进行不同雷诺数下的实验时，保持射流管路稳流阀6和稳压阀7开口大小不变，调节离心风机23叶片的旋转频率；调节射流角的话可以通过更换实验射流板2。

Claims (7)

1.一种用于流动显示、测量的实验装置，其特征在于，包括用于连接在风洞上的实验腔(1)，实验腔(1)的底部可拆卸的连接有射流板(2)，射流板(2)下部连接有集气腔(24)，且集气腔(24)通过射流板(2)上的射流孔与实验腔(1)连通，集气腔(24)的底部通过软管(3)和过渡接头(4)依次连接有流量计(5)、稳流阀(6)、稳压阀(7)、烟雾器(8)以及空压机(9)；

实验腔(1)的后侧设置有升降台(10)，升降台(10)上连接有二维移动滑台(11)，二维移动滑台(11)的底部连接有光源设备(13)，实验腔(1)的顶部设有供光源通过的槽缝，实验腔(1)的外侧设有正对实验腔(1)的数据采集设备(14)，且数据采集设备(14)电连接至计算机。

2.根据权利要求1所述的一种用于流动显示、测量的实验装置，其特征在于，实验腔(1)的壁面均为透明亚克力板。

3.根据权利要求1所述的一种用于流动显示、测量的实验装置，其特征在于，实验腔(1)后端的壁面内侧设置有遮光布(12)。

4.根据权利要求3所述的一种用于流动显示、测量的实验装置，其特征在于，数据采集设备(14)正对设置有遮光布(12)的壁面。

5.根据权利要求1所述的一种用于流动显示、测量的实验装置，其特征在于，射流板(2)下部表面上均匀地刻有若干刻度线，且相邻的刻度线之间的间距等于射流孔孔径。

6.根据权利要求1所述的一种用于流动显示、测量的实验装置，其特征在于，数据采集设备(14)为超高速相机或CCD相机。

7.一种用于流动显示、测量的实验方法，其特征在于，采用权利要求1所述的用于流动显示、测量的实验装置，包括以下步骤：

步骤一：将实验腔(1)连接到风洞的收缩段(19)和扩张段(21)之间；

步骤二：将升降台(10)和二维移动滑台(11)进行装配，装配后放置在实验腔(1)的一侧，并在此侧的实验腔(1)壁面内侧悬挂遮光布(12)；

步骤三：将光源设备(13)安装在二维移动滑台(11)上，通过升降台(10)和二维移动滑台(11)将光源设置(13)调整至合适位置；

步骤四：安装并调整数据采集设备(14)，使数据采集设备(14)正对设置有遮光布(12)的壁面；

步骤五：启动风洞风机，调节风机选择频率，使主流满足实验要求；

步骤六：打开稳流阀(6)和稳压阀(7)，启动空压机(9)，调节稳流阀(6)和稳压阀(7)的开口大小，观察流量计(5)示数，使射流满足实验要求；

步骤七：启动数据采集设备(14)及计算机中控制软件；

步骤八：调整数据采集设备(14)的空间位置，通过控制软件窗口观察效果，将其空间位置调至合适；

步骤九：调整片光源设备(13)的位置及亮度，通过控制软件窗口观测实际效果，从而使得效果最佳；

步骤十：对控制软件上的参数进行调整，使其满足实验要求，开始实验。