CN107290130A - 一种螺旋桨叶片外部流场粒子图像测速试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种螺旋桨叶片外部流场粒子图像测速试验装置，该装置的水循环模块为透光水箱、水泵、流量计以及水管组成一个封闭的回路，透光水箱固定在支撑模块上；被测螺旋桨安装在透光水箱内，并且可以通过固定在透光水箱外的电驱动模块驱动旋转；激光器安装在激光器位置调节模块上，可相对于透光水箱作六自由度运动并对准透光水箱；CCD相机安装在相机运动模块上，可相对于透光水箱作六自由度运动并对准透光水箱；本发明解决了螺旋桨类叶片流场测量难题，并且将试验数据和CFD模拟技术相结合，可以验证CFD算法的准确性和有效性，结构简单、成本低，适用于螺旋桨叶片等复杂条件的PIV实验。

Description

一种螺旋桨叶片外部流场粒子图像测速试验装置

技术领域

本发明属于流场测试技术领域，特别涉及一种螺旋桨叶片外部流场粒子图像测速试验装置。

背景技术

粒子图像测速(Particle Image Velocimetry，简称PIV)技术是一种可以同时获得流场中多点被测量流体或粒子速度矢量的光学图像技术。它主要通过记录流场中示踪粒子在很短时间段内的位移来计算粒子的速度。PIV技术是在传统流动显示基础上，利用图形图像处理技术和计算机技术发展起来的一种新的流动测量技术，它可以保证较高精度的要求下，无接触地测量流场中一个截面上的二维流速分布。利用PIV技术测量流场时,需在流场中散播密度适当且跟随性好的示踪粒子,由示踪粒子的运动来反映水质点的运动，并用激光对所测平面进行照射,形成光照平面,再用CCD等摄像设备获得该示踪粒子的图像,还要对得到的图像序列进行互相关分析,测出在已知时间间隔内示踪粒子在某切面的位移,即可得到全场的速度分布。PIV技术克服了以往单点测速技术的局限性,已成为流体力学中最重要的测量仪器,广泛地应用于与流动测量相关的各个领域，极大推动了流体力学、传热学等相关领域的科学发展。

但是对于螺旋桨类的叶片，目前的常规的PIV测量设备难以测量，现有设备过于复杂所以无法用简单的方法测量其周围流场变化情况。一般利用空泡气筒PIV测量螺旋桨流场，但是空泡气筒操作复杂，而且设备价格昂贵。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低，适用于螺旋桨类叶片流场测量的螺旋桨叶片外部流场粒子图像测速试验装置。

为了解决上述技术问题，本发明的螺旋桨叶片外部流场粒子图像测速试验装置包括支撑模块、电驱动模块、水循环模块、激光器位置调节模块、激光器、相机运动模块、CCD相机；所述水循环模块为透光水箱、水泵、流量计以及水管组成一个封闭的回路，透光水箱固定在支撑模块上；被测螺旋桨安装在透光水箱内，并且可以通过固定在透光水箱外的电驱动模块驱动旋转；激光器安装在激光器位置调节模块上，可相对于透光水箱作六自由度运动并对准透光水箱；CCD相机安装在相机运动模块上，可相对于透光水箱作六自由度运动并对准透光水箱；激光器位置调节模块包括底座、竖直导轨、z向移动部件和万向节支架；竖直导轨固定在底座上，z向移动部件安装在竖直导轨上且可沿竖直导轨作z向移动；z向移动部件通过万向节支架与激光器连接；激光器可在激光器位置调节模块上相对于透光水箱作六自由度运动并对准透光水箱；相机运动模块包括横梁、立柱、万向支臂；立柱与支撑模块连接，可锁紧固定或沿y方向移动；横梁与立柱通过压铸角铝和锁紧螺钉连接，可锁紧固定在立柱上或沿立柱作x向和z向移动；横梁通过万向支臂连接CCD相机，CCD相机可绕着x轴的转动、绕着y轴的转动和绕着z轴的转动。

所述的支撑模块包括由12根铝型材通过压铸角铝固定连接在一起形成的长方体支架及固定在其顶部的至少一个横板；透光水箱和电驱动模块固定在横板上。

所述支撑模块的底部固定有四个地脚。

所述的电驱动模块包括减速电机、联轴器以及光栅码盘；联轴器把减速电机转轴与螺旋桨转轴连接在一起，光栅码盘安装在螺旋桨转轴的端部。

所述的竖直导轨和z向移动部件均采用铝型材，两个铝型材通过压铸角铝和锁紧螺钉连接。

本实验装置在工作过程中，透光水箱及电驱动模块固定在支撑模块上方，由电驱动模块驱动螺旋桨旋转，水循环模块中由水泵控制水的循环流动；螺旋桨转速变化信息由光栅码盘进行检测，光栅码盘测得的螺旋桨转速变化信息以及流量计测得的并流量大小信息传输给计算机。同时通过激光器位置调节模块调节激光相对透光水箱的位置和入射角度，使激光在透光水箱内部形成一个切片，调节相机运动模块使PIV相机捕捉到切片上的粒子流动信息；最终通过计算机软件处理得到该切片位置的流场图。

由于螺旋桨工作时的进速较大，利用传统实验方式难以实现测量，本发明采用缩小版的螺旋桨并且降低螺旋桨旋转速度，从而降低所需水泵的流量，在技术上或可实现精确测量。在测量过程中，将实验模型、螺旋桨转速和水泵流量记录下来，就可以通过CFD软件模拟计算该流场，并将试验数据和模拟数据进行对比，最终验证CFD算法的准确性和有效性。

本发明的有益效果在于，解决了螺旋桨类叶片流场测量难题，并且将试验数据和CFD模拟技术相结合，可以验证CFD算法的准确性和有效性。其次，相机运动模块和激光器位置调节模块可以灵活的调节测量位置，提取我们所关心流场部分的试验数据。最后,测量所需模块在市场上都很常见，整个实验装置所需材质及零部件都很廉价，而且安装方法简单，这使一般的研究者可以自己安装此实验装置。本发明结构简单、成本低，适用于螺旋桨叶片等复杂条件的PIV实验。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进步详细说明。

图1是本发明的螺旋桨叶片外部流场粒子图像测速试验装置整体结构示意图。

图2是本发明的支撑模块结构示意图。

图3是本发明的电驱动模块结构示意图。

图4是本发明的水循环模块结构示意图。

图5是本发明的被测模块结构示意图。

图6是本发明的激光器位置调节模块结构示意图。

图7是本发明的相机运动模块结构示意图。

图中：1.支撑模块、2.电驱动模块、3.水循环模块、5.激光器位置调节模块、6.相机运动模块、101.地脚、102.铝型材、103.压铸角铝、104.A横板、105.B横板、106C横板、201.减速电机、202.联轴器、203.光栅码盘、301.水泵、302.流量计、303.水管、304.透光水箱、401.橡胶垫圈、402.橡胶垫片、403.螺栓连接件、404.端盖、405.轴承、406.轴用弹性挡圈、407.螺旋桨转轴、408.油封、409.螺旋桨、410.弹性垫圈、411.螺母、501.激光器、502.万向节支架、503.连接铁片、504.铝型材、505.压铸角铝、506.短铝型材、507.地脚、508竖直导轨、509.z向移动部件、601.横梁、602.万向支臂、603.PIV相机、604.立柱、605.压铸角铝

具体实施方式

下面结合图1-4进行具体实施方式说明：

本发明主要由支撑模块1、电驱动模块2、水循环模块3、激光器位置调节模块5、激光器501、相机运动模块6及CCD相机603组成。

所述的支撑模块1的中部是由12根铝型材102通过压铸角铝103固定连接在一起形成的长方体支架，上部放置有A横板104、B横板105和C横板106，长方体支架底部有四个地脚101，以保持整个支撑模块1的水平状态和缓冲震动。A横板104、B横板105和C横板106可以通过螺钉连接方式或焊接方式固定在支撑模块1顶部。

所述的支撑模块1还可以采用长方体箱体，或者由任意形状的支架与工作平台构成。

所述的电驱动模块2包括减速电机201、联轴器202以及光栅码盘203；联轴器202把减速电机201转轴与螺旋桨转轴407连接在一起，光栅码盘203安装在螺旋桨转轴407的端部。

通过外设的电机调速器控制减速电机201的转速，转速的变化即光栅码盘203的转速变化可以通过外设的光栅测速器检测出来，并将转速变化信息输入到计算机中，从而达到检测整个系统真实工况的目的。

所述的水循环模块是由透光水箱304、水泵301、流量计302以及连接这三者的水管303组成的一个封闭回路。

所述的水循环模块3对测试所需的液体进行循环，所述的电驱动模块2对被测螺旋桨409提供动力，驱动螺旋桨409旋转，具有六个自由度的相机运动模块6上设有一台PIV相机603，对其流场进行检测，所述的激光器位置调节模块5用以调节激光器501与水箱304之间的相对位置以及激光入射角度。

水泵301上设有挡位，通过控制改变挡位可以控制水泵流速的大小，流量计302可以测出当前系统的流量大小。

被测模块包括螺旋桨转轴407以及螺旋桨409；所述的螺旋桨409与螺旋桨转轴407连接并由被螺母411和弹簧垫圈410连接固定，所述的螺旋桨转轴407通过轴承405与端盖404连接在一起，轴用弹性挡圈406用于固定轴承405和螺旋桨转轴407，阻止轴承405的轴向移动，端盖404和轴承405之间的密封由油封408完成。螺旋桨转轴407在电驱动模块2的带动下旋转，从而驱动螺旋桨409旋转。透光水箱304和端盖通过螺栓连接件403连接在一起，以上三者的间隙以橡胶垫圈401和橡胶垫片402来密封。

因为激光无法穿透不透明物体，因此透光水箱304采用有机玻璃材质，方便加工而且有着十分高的透光率。

所述的激光器位置调节模块5包括底座、竖直导轨208、z向移动部件509、万向节支架502；底座由位于一个水平面且其中一端固定在一起的四个短铝型材506构成，竖直导轨508通过四个压铸角铝505连接固定在底座上；z向移动部件509通过压铸角铝和锁紧螺钉连接在竖直导轨508上，可锁紧固定或在竖直导轨508上作z向移动。万向节支架502通过螺栓和连接铁片503安装在z向移动部件509上；激光器501安装在万向节支架502上，可通过万向节支架502实现绕x轴、y轴、z轴旋转。激光器位置调节模块5下部安装有四个地脚507以调平整个模块；最后，整个激光器位置调节模块5可以通过手动方式贴着地面沿着x轴和y轴平动以及绕着z轴转动。

所述的相机运动模块6是由横梁601、立柱604、压铸角铝605、万向支臂602以及PIV相机603组成的。立柱604通过压铸角铝605和支撑模块601连接起来，并且通过放松压铸角铝605上螺栓使PIV相机沿着y轴平动；横梁601通过压铸角铝605和立柱604连接起来，并且通过放松压铸角铝605上螺栓使相机沿着x轴平动和z轴平动；所述的PIV相机603通过万向支臂602连接在横梁601上，可以绕着x轴的转动和绕着y轴的转动。相机运动模块6有6个自由度，分别为沿着x轴的平动、沿着y轴的平动、沿着z轴的平动、绕着x轴的转动、绕着y轴的转动和绕着z轴的转动。

上述实例仅仅以螺旋桨作为被测叶片为例对本发明进行了说明,毫无疑问的是,本发明同样适用于其他类似螺旋桨的叶片。此外,其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的,例如激光器位置调节模块5和相机运动模块6，并不限制于上述结构，本领域技术人员能够根据其实现的功能还可以设计出多种结构形式。因此凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进,均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种螺旋桨叶片外部流场粒子图像测速试验装置，其特征在于包括支撑模块(1)、电驱动模块(2)、水循环模块(3)、激光器位置调节模块(5)、激光器(501)、相机运动模块(6)、CCD相机(603)；所述水循环模块(3)为透光水箱(304)、水泵(301)、流量计(302)以及水管(303)组成一个封闭的回路，透光水箱(304)固定在支撑模块(1)上；被测螺旋桨(409)安装在透光水箱(304)内，并且可以通过固定在透光水箱(304)外的电驱动模块(2)驱动旋转；激光器位置调节模块(5)包括底座、竖直导轨(508)、z向移动部件(509)和万向节支架(502)；竖直导轨(508)固定在底座上，z向移动部件(509)安装在竖直导轨(508)上且可沿竖直导轨(508)作z向移动；z向移动部件(509)通过万向节支架(502)与激光器(501)连接；激光器(501)可在激光器位置调节模块(5)上相对于透光水箱(304)作六自由度运动并对准透光水箱(304)；相机运动模块(6)包括横梁(601)、立柱(604)、万向支臂(602)；立柱(604)与支撑模块(1)连接，可锁紧固定或沿y方向移动；横梁(601)与立柱(604)通过压铸角铝和锁紧螺钉连接，可锁紧固定在立柱(604)上或沿立柱(604)作x向和z向移动；横梁(601)通过万向支臂(602)连接CCD相机，CCD相机可绕着x轴的转动、绕着y轴的转动和绕着z轴的转动。

2.根据权利要求1所述的螺旋桨叶片外部流场粒子图像测速试验装置，其特征在于所述的支撑模块(1)包括由12根铝型材(102)通过压铸角铝(103)固定连接在一起形成的长方体支架及固定在其顶部的至少一个横板；透光水箱(304)和电驱动模块(2)固定在横板上。

3.根据权利要求2所述的螺旋桨叶片外部流场粒子图像测速试验装置，其特征在于所述支撑模块(2)的底部固定有四个地脚(101)。

4.根据权利要求1所述的螺旋桨叶片外部流场粒子图像测速试验装置，其特征在于所述的电驱动模块(2)包括减速电机(201)、联轴器(202)以及光栅码盘(203)；联轴器(202)把减速电机(201)转轴与螺旋桨转轴(407)连接在一起，光栅码盘(203)安装在螺旋桨转轴(407)的端部。

5.根据权利要求1所述的螺旋桨叶片外部流场粒子图像测速试验装置，其特征在于所述的竖直导轨(508)和z向移动部件(509)均采用铝型材，两个铝型材通过压铸角铝和锁紧螺钉连接。