CN106979854B - 液力变矩器叶片边界层流动测量装置及测量方法 - Google Patents

液力变矩器叶片边界层流动测量装置及测量方法 Download PDF

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CN106979854B CN201710354424.1A CN201710354424A CN106979854B CN 106979854 B CN106979854 B CN 106979854B CN 201710354424 A CN201710354424 A CN 201710354424A CN 106979854 B CN106979854 B CN 106979854B
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    • Y02E10/20—Hydro energy

Abstract

本发明提供了液力变矩器叶片边界层流动测量装置及测量方法，该测量装置由水箱、水泵、实验水洞、水箱依次连接形成循环回路，流量计和流量控制阀依次安装在水泵入口，激光发生器安装在实验水洞上方，标定板安装在实验水洞内，高清CCD相机的光轴垂直于标定板，高清CCD相机与计算机信号连接，待测量的叶片通过叶片角度调整机构安装在实验水洞内；所述测量方法通过叶片角度调整机构调节叶片的角度，并调节流量控制阀调整实验水洞内流量，通过CCD高清相机采集不同流量工况和不同叶片角度下的标定图像和叶片边界层流场图像。本发明解决了实时采集标定图像和叶片边界层流场图像问题，能够分析叶片角度对于液力变矩器边界层流场结构的影响。

Description

液力变矩器叶片边界层流动测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于流体力学实验技术领域，具体涉及一种液力变矩器叶片边界层流动测量装置及测量方法。
背景技术
粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry简称PIV)作为一种全新的无扰、瞬态、全场速度测量方法，在流体力学及空气动力学研究领域具有极高的学术意义和实用价值。PIV技术原理是在流场中布撒大量示踪粒子(小于10微米)跟随流场运动(水中使用密度接近水的空心玻璃微珠)，把激光束经过组合透镜扩束成片光照明流场，使用数字相机拍摄流场照片，得到的前后两帧粒子图像，对图像中的粒子图像进行互相关计算得到流场一个切面内定量的速度分布。进一步处理可得流场涡量、流线以及等速度线等流场特性参数分布。作为一种全场、非接触、无干扰、高精度的流动测量方法，PIV适用于湍流等非定常流动流场的测量，在液力变矩器等复杂的旋转流体机械流场测量中得到广泛应用。
目前，液力变矩器流场测量限于主流区域上的流场测量，现有实验测量装置和方法无法满足液力变矩器局部流动区域上的流场测量，尤其是对于液力变矩器叶片近壁面边界层流动区域上的流场精确测量，成为液力变矩器流场实验研究的瓶颈问题。创新液力变矩器叶片边界层流场实验测量装置和实验测量方法，对于深入研究液力变矩器叶片边界层流场结构演化规律，完善液力变矩器内部流动机理，推动液力变矩器现代设计理论与方法具有重要意义和作用。
发明内容
针对上述现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种液力变矩器叶片边界层流动测量装置及测量方法，可实现不同叶片进、出口角度设计方案下，实时采集标定图像和叶片边界层流场图像，基于流场结构特征演化规律的变化，分析叶片角度对于液力变矩器边界层流场结构的影响，优化液力变矩器叶片最佳进、出口角，为液力变矩器系列化设计提供重要的实验方法与参考经验。结合说明书附图，本发明的技术方案如下：
液力变矩器叶片边界层流动测量装置，由水泵1、流量控制阀2、压力表、实验水洞5、激光发生器6、标定板7、叶片角度调整机构9、高清CCD相机10、流量计11、水箱12和计算机14组成，所述水箱12、水泵1、实验水洞5、水箱12依次通过管路连接形成循环回路，所述流量计11和流量控制阀2依次安装在水箱12与下游的水泵1的连接管路上，两个所述压力表分别安装在实验水洞5的进出口处，所述激光发生器6安装在实验水洞5上方，所述标定板7安装在实验水洞5内部的卡槽内，所述高清CCD相机10的光轴垂直于标定板7，所述高清CCD相机10与所述计算机14信号连接，高清CCD相机10将获取的图片信息输送至计算机14，叶片角度调整机构9安装在实验水洞5的背板上，待测量的叶片通过叶片角度调整机构9安装在实验水洞5内。
液力变矩器叶片边界层流动测量装置，其中，所述叶片角度调整机构9由固定尺907、活动连杆906、支撑连杆905、固定连杆904、定位长轴903、短连杆902以及螺母901组成；
所述固定尺907固定在实验水洞5的背板外侧，活动连杆906滑动安装在固定尺907的滑槽内，并通过固定尺907侧面的紧定螺钉固定，支撑连杆905与活动连杆906通过凹槽与凸块线性配合连接，所述固定连杆904一端铰接于支撑连杆905，另一端与定位长轴903固定连接，所述定位长轴903沿轴向穿过叶片8，定位长轴903加工有外螺纹，通过螺母901对叶片8前端限位，短连杆902位于叶片8的后端，短连杆902一端与定位长轴903固定，另一端通过定位销轴与叶片8连接，所述定位销轴与短连杆902垂直，短连杆902与定位长轴903垂直，定位长轴903与定位销轴平行，定位长轴903、短连杆902和定位销轴对叶片8在圆周方向限位，螺母901、定位长轴903和短连杆902对叶片8在轴向限位，通过滑动活动连杆906实现对端部的叶片8的旋转，进而改变叶片8的角度。
进一步地，所述固定连杆904、定位长轴903、短连杆902以及螺母901均上下平行成对设置，两个待测量的叶片8分别安装在两个定位长轴903的端部，实现同步改变角度。
进一步地，所述固定尺907和活动连杆906上均设有刻度，其中，所述活动连杆906上平均刻有一列1mm/格的刻线，在固定尺907上刻有20个格，每个格的间距为0.95mm，通过活动连杆906上的刻度值与固定尺907上刻度值的差值来定量控制活动连杆906的滑动量。
液力变矩器叶片边界层流动测量装置，其中，所述标定板7的表面40mm×40mm的范围内均匀分布7×7阵列的标定圆点，所述标定圆点的直径D为2.5mm，标定圆点中心距为S为5mm，标定圆点精度为0.001mm。
进一步地，所述标定板7和叶片8的材质均为有机玻璃。
液力变矩器叶片边界层流动测量方法，其中，所述测量方法在如前所述的液力变矩器叶片边界层流动测量装置上进行，具体过程如下：
第一步：根据权利要求1所述的测量装置对装置各部分进行安装连接，将待测量叶片8安装在实验水洞5内的叶片角度调整机构9的端部，调节叶片进、出口初始角度后固定，将标定板7安装在实验水洞5上游的卡槽内，打开激光器发生器6，产生的激光片光将待测流场照亮，调整标定板7的空间位置，使标定板7与叶片8的待测量切面共面，并使标定板7与叶片8的待测量切面位于激光片光内；
第二步：开启水泵1，使整个循环管路充满工作液体，调节流量控制阀2，待工作液体流动稳定后，通过CCD高清相机10同时采集实验水洞5内的标定板7的标定图像和叶片8的边界层流场图像；
第三步：通过叶片角度调整机构9调节叶片8的角度，同时，标定板7的空间位置不变，调节流量控制阀2进行实验水洞内的流量调整，通过CCD高清相机采集不同流量工况和不同叶片角度下的标定图像和叶片边界层流场图像，最终完成多工况下、不同叶片角度的液力变矩器叶片边界层流动测量。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明所述液力变矩器叶片边界层流动测量装置及测试方法解决了实时采集标定图像和叶片边界层流场图像问题，提出了明确的标定方法，并分析叶片角度对于液力变矩器边界层流场结构的影响。
2、本发明所述液力变矩器叶片边界层流动测量装置中的叶片角度调整装置能够调整叶片进水口、出水口角度，测量不同角度下的叶片边界层的流动情况，进而控制某一工况下，叶片的冲角，进出口角，实时测量流场变化，发现叶片角度变化对于流场的影响规律，并与流场能量损失建立联系，优化最佳进出口角度，为液力变矩器叶片表面设计以及角度设计提供实验依据。
3、本发明所述液力变矩器叶片边界层流动测量方法中，片边界层流动测量的标定可与叶片边界层流动测量同时进行，即将标定板与叶片同时置于实验水洞中，激光片光同时通过标定板及叶片待测量切面，高清CCD相机同时对液力变矩器叶片边界层流动测量的标定区域和测量区域进行图像采集，整个实验过程无需将标定板取出，一次性完成标定与实验过程，使实验操作更为简单。
4、本发明所述液力变矩器叶片边界层流动测量装置及测量方法，利用固定在实验水洞内部的标定板对各个工况下的流场情况进行标定；利用叶片固定及角度调整装置调整叶片角度，得到不同工况下不同叶片角度时液力变矩器叶片边界层流动情况，标定过程中通过固定在实验水洞内部的标定板对各个工况下的流场情况进行标定，水洞外壳为规则的长方体外壳，与垂直放置的标定板平面完全平行匹配，减小了由于测量方法和装置带来的误差。
5、本发明所述液力变矩器叶片边界层流动测量装置及测量方法还可以分析不同叶片角度下流场结构特征变化，基于流场结构演化规律和流动结构分布特点优化液力变矩器叶片最佳进、出口角，为液力变矩器系列化设计提供重要的实验方法与参考经验。
附图说明
图1是本发明所述液力变矩器叶片边界层流动测量装置的结构示意图；
图2是本发明所述液力变矩器叶片边界层流动测量装置中，标定板在测量区域的安装示意图；
图3是本发明所述液力变矩器叶片边界层流动测量装置中，标定板的结构示意图；
图4是本发明所述液力变矩器叶片边界层流动测量装置中，叶片角度调整机构主视图；
图5是本发明所述液力变矩器叶片边界层流动测量装置中，叶片角度调整机构轴测图；
图6是本发明所述液力变矩器叶片边界层流动测量装置中，叶片角度调整机构的安装示意图。
图中：
1-水泵；              2-流量控制阀；    3-第一压力表；     4-第二压力表；
5-实验水洞；          6-激光发生器；    7-标定板；         8-叶片；
9-叶片角度调整机构；  10-高清CCD相机；  11-流量计；        12-水箱；
13-减震底座；         14-计算机；
901-螺母；            902-短连杆；      903-定位长轴；     904-固定连杆；
905-支撑连杆；        906-活动连杆；    907-固定尺。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了液力变矩器叶片边界层流动测量装置，该测量装置由水泵1、流量控制阀2、第一压力表3、第二压力表4、实验水洞5、激光发生器6、标定板7、叶片角度调整机构9、高清CCD相机10、流量计11、水箱12、减震底座13和计算机14组成。其中，水箱12、水泵1、实验水洞5、水箱12依次通过管路连接，并形成流动回路，即介质从水箱12的出口流向水泵1，进而流向实验水洞5，最终流回水箱12。所述水泵1固定安装在减震底座13上；所述流量计11和流量控制阀2依次安装在水箱12与下游的水泵1的连接管路上，通过调节所述流量控制阀2，并结合流量计11，能实现对实验水洞5内的流量调整；所述激光发生器6安装在实验水洞5的正上方，所述标定板7安装在实验水洞5内部的卡槽内，标定板7在实验水洞5内的前后位置可调，且激光发生器6所产生的激光片光与标定板7平行；所述高清CCD相机10安装在实验水洞5的前方，且高清CCD相机10的光轴垂直于标定板7，所述高清CCD相机10与所述计算机14信号连接，高清CCD相机10将获取的图片信息输送至计算机14，进而实现进一步分析等处理。
如图2和图6所示，所述第一压力表3和第二压力表4分别安装在实验水洞5的进出口处，以检测实验水洞5进出口的流体压力；待测量的叶片8通过叶片角度调整机构9安装在实验水洞5内的中间位置，并位于标定板7的下游，叶片角度调整机构9可实时调整叶片8的进、出口角。
如图3所示，所述标定板7的表面40mm×40mm的范围内均匀分布7×7阵列的标定圆点，标定圆点的直径D为2.5mm，标定圆点中心距为S为5mm，标定圆点精度为0.001mm。由于标定圆点的直径及间距已知，因此可以方便的地使用所述标定板7进行尺寸标定。尺寸标定就是利用图像中已知尺寸的物体或标尺，计算图像中像素与实际尺寸的比例。
所述标定板7与待测量的叶片8的材质均为有机玻璃,标定板7为正方形有机玻璃板。
在本发明所述的测量装置中，叶片角度调整机构9能够实时调整叶片8的进、出口角的设计，是本发明能够分析叶片角度对于液力变矩器边界层流场结构的影响，进而优化液力变矩器叶片最佳进、出口角，为液力变矩器系列化设计提供重要的实验方法与参考经验的关键，叶片角度调整机构9的具体结构如下：
如图4和图5所示，待测量的叶片8为两个，上下平行地安装在叶片角度调整机构9上，并同步调整角度。所述叶片角度调整机构9由固定尺907、活动连杆906、支撑连杆905、固定连杆904、定位长轴903、短连杆902以及螺母901组成。所述固定尺907固定安装在实验水洞5的箱体背面，活动连杆906滑动安装在固定尺907的滑槽内，在所述活动连杆906上平均刻有一列1mm/格的刻线，在固定尺907上刻有20个格，每个格的间距为0.95mm，在固定尺907的侧面安装有紧定螺钉，对活动到预定位置的活动连杆906进行限位固定，所述支撑连杆905的中部通过铣削加工有一个凹槽，活动连杆906顶部设有与凹槽卡接的凸块，且凸块能够在凹槽内水平滑动，支撑连杆905与活动连杆906通过凹槽与凸块配合连接，固定连杆904与叶片8相对应地有两根，两根所述固定连杆904上下平行设置，其一端分别铰接于支撑连杆905的上下端，所述固定连杆904的另一端与定位长轴903固定连接，所述叶片8的同侧轴向端面上开有一个通孔和一个盲孔，定位长轴903通过所述通孔穿过叶片8，所述短连杆902一端与定位长轴903固定连接，另一端与一个定位销轴连接，所述定位销轴安装在盲孔内，定位销轴与短连杆902成90°，短连杆902与定位长轴903成90°，定位长轴903与定位销轴平行，所述定位长轴903、短连杆902与定位销轴配合，实现了对叶片8的圆周方向限位；所述定位长轴903穿过叶片8，叶片8后端顶靠在短连杆902上，叶片8前段的定位销轴903端部加工有外螺纹，并配合螺母901进行旋紧固定，实现了对叶片8的轴向限位。
上述叶片角度调整机构9中，通过滑动活动连杆906进而进行位移测量，其原理是通过活动连杆906上的刻度值与固定尺907上刻度值的差值来确定，其精度为0.05mm，该调整装置的原理与游标卡尺类似，所不同的是游标卡尺中游标尺进行移动，而在本装置中活动连杆906移动，而固定尺907不动，通过定量地移动活动连杆906，带动支撑连杆905在Y-Z平面内运动，进而改变端部的叶片8的角度。
两个待测量的叶片8的设置及安装连接方式完全相同，且涉及的部件形状、大小完全一致，两个叶片8上下平行安装在叶片角度调整机构9的定位长轴上，同步调整角度。
结合上述叶片边界层流动测量装置的结构，本发明还提供了一种液力变矩器叶片边界层流动测量方法，具体过程如下：
第一步：根据前述测量装置的结构及连接关系，连接测量装置及待测量叶片：将水箱12、水泵1、实验水洞5、水箱12依次通过管路连接，并形成介质流动循环回路，并将叶片角度调整机构从外部安装在实验水洞5背面上，并穿过实验水洞5的中部，将叶片8安装在实验水洞5内的叶片角度调整机构端部，调节叶片进、出口初始角度后固定，将标定板7安装在实验水洞5上游的卡槽内，打开激光器发生器6，产生的激光片光将待测流场照亮，调整标定板7的空间位置，使标定板7与叶片8的待测量切面共面，并使标定板7与叶片8的待测量切面位于激光片光内；
第二步：开启水泵1，使整个循环管路充满工作液体，调节流量控制阀2，待工作液体流动稳定后，通过CCD高清相机10同时采集实验水洞5内的标定板7的标定图像和叶片8的边界层流场图像，并保证标定图像和流场图像获取的同步性；
第三步：通过叶片角度调整机构9改变叶片8角度，同时，保证标定板7的空间位置不变，调节流量控制阀2进行实验水洞内的流量调整，通过CCD高清相机采集不同流量工况和不同叶片角度下的标定图像和叶片边界层流场图像，最终完成多工况下、变叶片角度的液力变矩器流场实验测量；
其中，根据前述叶片角度调整机构9的结构及连接关系，通过叶片角度调整机构9改变叶片8角度的过程如下：
移动活动连杆906与固定尺907的相对位置，并带动支撑连杆905运动，由于固定连杆904端部与支撑连杆905铰接，使得两个固定连杆904发生相对摆动，进而带动端部的两个叶片8发生相对转动，实现同步改变两个叶片8的角度。
根据前述的叶片边界层流动测量装置及器测量方法，所述叶片角度调整机构(9)中，
固定连杆904由水平状态调整到如图4所示的位置时，活动连杆906所移动的长度ΔL为：
ΔL＝L×sinb
其中：
L为固定连杆904的长度；
b为固定连杆904与水平方向所成的角度。
根据活动连杆906的位移精度0.05mm制得下表一：
表一
Figure BDA0001298729740000061
在实际的液力变矩器叶栅系统设计中，叶片角度范围在3°至5°，超过此范围液力变矩器性能将大幅降低,因此不具有分析意义。根据上表一，在本发明所述叶片角度调整装置中，叶片角度调整装置的角度调节范围涵盖了一般叶片设计的角度范围，并且由上表可以看出，由叶片角度调整机构所造成的叶片角度误差不超过20'，由此分析，在本发明装置中叶片角度调整装置所带来的误差都在可以接受的范围内。

Claims (6)

1.液力变矩器叶片边界层流动测量装置，其特征在于：
由水泵(1)、流量控制阀(2)、压力表、实验水洞(5)、激光发生器(6)、标定板(7)、叶片角度调整机构(9)、高清CCD相机(10)、流量计(11)、水箱(12)和计算机(14)组成，所述水箱(12)、水泵(1)、实验水洞(5)、水箱(12)依次通过管路连接形成循环回路，所述流量计(11)和流量控制阀(2)依次安装在水箱(12)与下游的水泵(1)的连接管路上，两个所述压力表分别安装在实验水洞(5)的进出口处，所述激光发生器(6)安装在实验水洞(5)上方，所述标定板(7)安装在实验水洞(5)内部的卡槽内，所述高清CCD相机(10)的光轴垂直于标定板(7)，所述高清CCD相机(10)与所述计算机(14)信号连接，高清CCD相机(10)将获取的图片信息输送至计算机(14)，叶片角度调整机构(9)安装在实验水洞(5)的背板上，待测量的叶片通过叶片角度调整机构(9)安装在实验水洞(5)内；
所述叶片角度调整机构(9)由固定尺(907)、活动连杆(906)、支撑连杆(905)、固定连杆(904)、定位长轴(903)、短连杆(902)以及螺母(901)组成；
所述固定尺(907)固定在实验水洞(5)的背板外侧，活动连杆(906)滑动安装在固定尺(907)的滑槽内，并通过固定尺(907)侧面的紧定螺钉固定，支撑连杆(905)与活动连杆(906)通过凹槽与凸块线性配合连接，所述固定连杆(904)一端铰接于支撑连杆(905)，另一端与定位长轴(903)固定连接，所述定位长轴(903)沿轴向穿过叶片(8)，定位长轴(903)加工有外螺纹，通过螺母(901)对叶片(8)前端限位，短连杆(902)位于叶片(8)的后端，短连杆(902)一端与定位长轴(903)固定，另一端通过定位销轴与叶片(8)连接，所述定位销轴与短连杆(902)垂直，短连杆(902)与定位长轴(903)垂直，定位长轴(903)与定位销轴平行，定位长轴(903)、短连杆(902)和定位销轴对叶片(8)在圆周方向限位，螺母(901)、定位长轴(903)和短连杆(902)对叶片(8)在轴向限位，通过滑动活动连杆(906)实现对端部的叶片(8)的旋转，进而改变叶片(8)的角度。
2.如权利要求1所述液力变矩器叶片边界层流动测量装置，其特征在于：
所述固定连杆(904)、定位长轴(903)、短连杆(902)以及螺母(901)均上下平行成对设置，两个待测量的叶片(8)分别安装在两个定位长轴(903)的端部，实现同步改变角度。
3.如权利要求1或2所述液力变矩器叶片边界层流动测量装置，其特征在于：
所述固定尺(907)和活动连杆(906)上均设有刻度，其中，所述活动连杆(906)上平均刻有一列1mm/格的刻线，在固定尺(907)上刻有20个格，每个格的间距为0.95mm，通过活动连杆(906)上的刻度值与固定尺(907)上刻度值的差值来定量控制活动连杆(906)的滑动量。
4.如权利要求1所述液力变矩器叶片边界层流动测量装置，其特征在于：
所述标定板(7)的表面40mm×40mm的范围内均匀分布7×7阵列的标定圆点，所述标定圆点的直径D为2.5mm，标定圆点中心距为S为5mm，标定圆点精度为0.001mm。
5.如权利要求1或3所述液力变矩器叶片边界层流动测量装置，其特征在于：
所述标定板(7)和叶片(8)的材质均为有机玻璃。
6.液力变矩器叶片边界层流动测量方法，其特征在于：
所述测量方法在如权利要求1所述的液力变矩器叶片边界层流动测量装置上进行，具体过程如下：
第一步：根据权利要求1所述的测量装置对装置各部分进行安装连接，将待测量叶片(8)安装在实验水洞(5)内的叶片角度调整机构(9)的端部，调节叶片进、出口初始角度后固定，将标定板(7)安装在实验水洞(5)上游的卡槽内，打开激光器发生器(6)，产生的激光片光将待测流场照亮，调整标定板(7)的空间位置，使标定板(7)与叶片(8)的待测量切面共面，并使标定板(7)与叶片(8)的待测量切面位于激光片光内；
第二步：开启水泵(1)，使整个循环管路充满工作液体，调节流量控制阀(2)，待工作液体流动稳定后，通过高清CCD相机(10)同时采集实验水洞(5)内的标定板(7)的标定图像和叶片(8)的边界层流场图像；
第三步：通过叶片角度调整机构(9)调节叶片(8)的角度，同时，标定板(7)的空间位置不变，调节流量控制阀(2)进行实验水洞内的流量调整，通过高清CCD相机采集不同流量工况和不同叶片角度下的标定图像和叶片边界层流场图像，最终完成多工况下、不同叶片角度的液力变矩器叶片边界层流动测量。
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