CN107356398A - 一种风洞实验方法及装置 - Google Patents

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黄修乾
程志万
邹德旭
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Abstract

本申请公开了一种风洞实验方法及装置,向实验模型区域方向开启自由风;释放示踪粒子,使所述示踪粒子在所述自由风中运动;照射所述实验模型区域中的所述示踪粒子;采集所述实验模型区域的图像;分析所述图,计算流速;再根据流速得到流场参数;最后根据所述流场参数,确定输电线路风害形成条件。本申请的风洞实验方法及装置,基于粒子图像测速技术,真实模拟山体沟谷地形和大风致灾的过程,提高了三维流场测量的精度,可以得到更精确的流场结构,更好地判断不同风速风向条件下的风害情况,也为复杂地形流场测量的模型制作和湍流边界层数值模拟技术提供了可靠参考。

Description

一种风洞实验方法及装置
技术领域
本申请涉及分析及测量技术领域,尤其涉及一种风洞实验方法及装置。
背景技术
我国是一个以山地地貌为主的国家,有近65%的面积是山地。山地地形的风场不同于平坦地貌条件的风场,山区的复杂地形会显著改变近地层流动风风速在垂直方向的分布以及湍流结构,从而形成山区地形所特有的风场结构特征,如越山风、峡谷风等。这些特有的风场结构形成的风害现象会对输电线路造成很大的影响,进而也会造成巨大的经济损失。
目前,国内外为避免风害现象对输电线路的影响,多是利用风洞实验测量山体或者峡谷的风速,经分析研究之后再采取相应的防护措施。其中测量风速的方法采用粒子图像测速技术(Particle Imaging Velocimetry,简称PIV),粒子图像测速技术是基于对流场图像的互相关分析而获取流速信息的一种现代光学测速手段,通过计算数字相机记录的图像得到局部粒子的统计平均位移,再根据激光器两次脉冲的时间间隔确定流场的速度。速度在流体分析中是一个重要的物理量,有了全流场的速度信息,就可以得到其它流动信息,如瞬时速度、脉动速度、平均速度场、流线、涡量、湍流强度、湍动能和雷诺应力分布等。
然而,目前这些测速手段对流场的干扰比较大,所以在测试时的布点比较稀疏,得到的流场结构往往忽略了局部细微结构的变化,尤其对于复杂地形来讲,以上的测速方法难以使得到的流场结构更加精确,也难以为分析输电线路风害现象提供参考。
发明内容
本申请提供了一种风洞实验方法及装置,以解决现有测速方法使流场结构不精确的问题,便于为分析输电线路风害现象提供参考。
第一方面,本申请提供了一种风洞实验方法,该方法包括:
向实验模型区域方向开启自由风,所述实验模型放置在风洞实验段中;
释放示踪粒子,使所述示踪粒子在所述自由风中运动;
照射所述实验模型区域中的所述示踪粒子;
采集所述实验模型区域的图像;
分析所述图像,计算流速;
根据所述流速,得到流场参数;
根据所述流场参数,确定输电线路风害形成条件。
可选的,所述照射实验模型区域中的示踪粒子的方法包括:垂直照射和水平照射。
可选的,所述流场参数包括:湍流强度、雷诺应力和涡量。
第二方面,本申请提供了一种风洞实验装置,其特征在于,包括:
风洞实验段、实验模型、喷雾发射器和粒子图像测速系统;
所述实验模型设置在所述风洞实验段中;
所述喷雾发射器,用于释放示踪粒子,使所述示踪粒子在所述自由风中运动;
所述粒子图像测速系统包括:
激光片光源,用于照射实验模型区域中的示踪粒子;
高速相机,用于采集所述实验模型区域的图像;
分析单元,用于分析所述图像,计算流速;
所述风洞实验装置还包括:
计算单元,用于根据所述流速,得到流场参数;
处理单元,用于根据所述流场参数,确定输电线路风害形成条件。
可选的,所述粒子图像测速系统还包括:脉冲激光器和导光臂,所述脉冲激光器通过所述导光臂与所述激光片光源连接。
可选的,所述装置还包括:控制单元,所述控制单元一端与所述脉冲激光器连接,另一端与所述处理单元连接。
可选的,所述风洞实验段长度为21m,所述风洞实验段横截面积为1.2×1.2m2
可选的,所述实验模型根据实际山体高度,按照2000:1缩比。
可选的,所述实验模型设置在所述风洞实验段入口处12m的下风向位置。
可选的,所述实验模型为透明树脂模型;所述风洞实验段的外侧玻璃为浮法玻璃。
由以上技术方案可知,本申请实施例提供了一种风洞实验方法及装置,向实验模型区域方向开启自由风;释放示踪粒子,使所述示踪粒子在所述自由风中运动;照射所述实验模型区域中的所述示踪粒子;采集所述实验模型区域的图像;分析所述图,计算流速;再根据流速得到流场参数;最后根据所述流场参数,确定输电线路风害形成条件。本申请的风洞实验方法及装置,基于粒子图像测速技术,真实模拟山体沟谷地形和大风致灾的过程,提高了三维流场测量的精度,可以得到更精确的流场结构,更好地判断不同风速风向条件下的风害情况,也为复杂地形流场测量的模型制作和湍流边界层数值模拟技术提供了可靠参考。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,对于本领域普通技术人员而言,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种风洞实验方法的流程图;
图2为本申请实施例提供的一种风洞实验装置的结构示意图;
图3为本申请实施例提供的另一种风洞实验装置的结构示意图。
图示说明:
其中,1-风洞实验段;2-实验模型;3-喷雾发射器;4-激光片光源;5-高速相机;6-分析单元;7-计算单元;8-处理单元;9-脉冲激光器;10-导光臂;11-控制单元。
具体实施方式
参见图1,为本申请实施例提供的一种风洞实验方法的流程图。该方法包括:
S100,向实验模型区域方向开启自由风,所述实验模型放置在风洞实验段中。自由风速选择8ms-1、10ms-1、15ms-1、20ms-1、25ms-1、30ms-1、35ms-1等七个等级。
S200,释放示踪粒子,使所述示踪粒子在所述自由风中运动;自由风带动示踪粒子运动,使示踪粒子可以均匀分布在整个实验段的内部。
S300,照射所述实验模型区域中的所述示踪粒子;当开始照射示踪粒子时,示踪粒子已经充分与气流混合,此时,示踪粒子的运动状态就可以代表实验区域内气流的运动状态。
S400,采集所述实验模型区域的图像。由于高速相机一次拍摄的区域有限,所以需要按照每次相机拍摄的最大范围,移动相机的位置,通过多次不同位置的拍摄,来完成对实验区域图像的采集。并且,每次的移动都需要严格控制,以保证2mm左右的图像重叠,再经过后期数据的拼接,可以得到完整的实验区域的图像。
S500,分析所述图像,计算流速。
S600,根据所述流速,得到流场参数。
S700,根据所述流场参数,确定输电线路风害形成条件。根据流场参数,可以找出实际山体背风面反向涡流产生条件,进而确定输电线路风害形成所需的临界风速、风向、坡度和高度。
由以上技术方案可知,本申请实施例提供了一种风洞实验方法,首先向实验模型区域方向开启自由风;释放示踪粒子,使所述示踪粒子在所述自由风中运动;然后照射所述实验模型区域中的所述示踪粒子;采集所述实验模型区域的图像;接着分析所述图,计算流速;再根据流速得到流场参数;最后根据所述流场参数,确定输电线路风害形成条件。本申请的风洞实验方法及装置,基于粒子图像测速技术,真实模拟山体沟谷地形和大风致灾的过程,提高了三维流场测量的精度,可以得到更精确的流场结构,更好地判断不同风速风向条件下的风害情况,也为复杂地形流场测量的模型制作和湍流边界层数值模拟技术提供了可靠参考。
可选的,所述照射实验模型区域中的示踪粒子的方法包括:垂直照射和水平照射。这两种方式得到垂直和水平两种状态下的山体绕流的平均速度分布特征,使得最后计算出的流场参数更加准确。
可选的,所述流场参数包括:湍流强度、雷诺应力和涡量。根据这些流场参数,能够分析出实验模型尾流区内气流的湍流结构、涡旋脱落情形及能量亏损特征。进而能更好的确定输电线路风害形成的条件。
参见图2,为本申请实施例提供的一种风洞实验装置的结构示意图,所述装置包括:
风洞实验段1、实验模型2、喷雾发射器3和粒子图像测速系统;
所述实验模型2设置在所述风洞实验段1中;
所述喷雾发射器3,用于释放示踪粒子,使所述示踪粒子在所述自由风中运动;
所述粒子图像测速系统包括:
激光片光源4,用于照射实验模型区域中的示踪粒子;
高速相机5,用于采集所述实验模型区域的图像;
分析单元6,用于分析所述图像,计算流速;
所述风洞实验装置还包括:
计算单元7,用于根据所述流速,得到流场参数;
处理单元8,用于根据所述流场参数,确定输电线路风害形成条件。
由以上技术方案可知,本申请实施例提供了一种风洞实验装置,首先向实验模型区域方向开启自由风;释放示踪粒子,使所述示踪粒子在所述自由风中运动;然后照射所述实验模型区域中的所述示踪粒子;采集所述实验模型区域的图像;接着分析所述图,计算流速;再根据流速得到流场参数;最后根据所述流场参数,确定输电线路风害形成条件。本申请的风洞实验方法及装置,基于粒子图像测速技术,真实模拟山体沟谷地形和大风致灾的过程,提高了三维流场测量的精度,可以得到更精确的流场结构,更好地判断不同风速风向条件下的风害情况,也为复杂地形流场测量的模型制作和湍流边界层数值模拟技术提供了可靠参考。
可选的,所述粒子图像测速系统还包括:脉冲激光器9和导光臂10,所述脉冲激光器9通过所述导光臂10与所述激光片光源4连接。本实施例中脉冲激光器9的数量为2台,每台脉冲激光器9的最大能量为200mJ,频率为10Hz,两台脉冲激光器9可以实现双路单台工作或者同步工作,实现时间延时控制。
可选的,所述装置还包括:控制单元11,所述控制单元11一端与所述脉冲激光器9连接,另一端与所述处理单元8连接。脉冲激光器9可以与控制单元11配合,共同进行精确的时间延时控制。
可选的,所述风洞实验段1长度为21m,所述风洞实验段1横截面积为1.2×1.2m2
可选的,所述实验模型2根据实际山体高度,按照2000:1缩比。山体的高度(h)、坡度(p)、基座(D)、走向、浑圆度组合根据实际地形数据选取,共制作5个高度(100m、200m、300m、400m、500m),5个坡度(10°、20°、30°、50°、70°)、10个走向(0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°)和3个浑圆度。
可选的,所述实验模型2设置在所述风洞实验段1入口处12m的下风向位置。
可选的,所述实验模型2为透明树脂模型;所述风洞实验段1的外侧玻璃为浮法玻璃。由于本实施例中风洞实验风速较高,而且风洞实验段1要求必须是透明的,而且不能发生过多的反射和散射,所以必须采用专用的玻璃,即风洞实验段1外侧玻璃为浮法玻璃。
粒子图像测速系统的原理如下:
预先在实验模型2的流场中撒播一定浓度和粒径的示踪粒子,用适当的激光片光源4照明二维流场,在垂直于激光片光源4的方向采用高速相机5直接记录粒子图像,然后通过分析单元6处理相继两帧数字图像,获取每一判读小区中粒子图像的平均位移,由此确定流场切面上多点的二维速度,提取出速度场信息。粒子图像处理技术的基本原理是很容易理解的,它对速度的计算是基于速度的原始定义,即:
U=ΔS/Δt
其中,U为速度;ΔS为双曝光延时Δt内发生的位移。只要我们能准确的测量流场中示踪粒子的位移dx和相应的时间dt,就可以得到单个示踪颗粒的二维速度:
其中,vx和vy是示踪颗粒沿x方向与y方向的瞬时速度,是示踪颗粒沿x方向和y方向的平均速度,Δt是测量的时间间隔。
在数字图像处理中,图像信号是二维的,互相关粒子图像测速技术是依次取前后两幅图像中的判读小区中的数字图像数据,依据相关技术的理论,对两个判读小区进行相关计算,研究两个图像信号的相似程度,也就是研究两幅图像的匹配程度。脉冲激光器9的第一个脉冲照明流场得到第一幅粒子图像,取其中的一部分作为判读小区,经过一段延时Δt,第二个激光脉冲照明流场得到第二幅粒子图像,取同一个位置的同一部分作为第二个判读小区,通过相关计算,可以得到第一个判读小区中的粒子微团与第二个判读小区中的粒子微团的统计平均位移,进一步即可求得测量流场的在判读小区中的统计平均速度。
由以上技术方案可知,本申请实施例提供了一种风洞实验方法及装置,向实验模型区域方向开启自由风;释放示踪粒子,使所述示踪粒子在所述自由风中运动;照射所述实验模型区域中的所述示踪粒子;采集所述实验模型区域的图像;分析所述图,计算流速;再根据流速得到流场参数;最后根据所述流场参数,确定输电线路风害形成条件。本申请的风洞实验方法及装置,基于粒子图像测速技术,真实模拟山体沟谷地形和大风致灾的过程,提高了三维流场测量的精度,可以得到更精确的流场结构,更好地判断不同风速风向条件下的风害情况,也为复杂地形流场测量的模型制作和湍流边界层数值模拟技术提供了可靠参考。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后,将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化,这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的,本申请的真正范围由权利要求指出。
应当理解的是,本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构,并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。以上所述的本发明实施方式并不构成对本发明保护范围的限定。

Claims (10)

1.一种风洞实验方法,其特征在于,所述方法包括:
向实验模型区域方向开启自由风,所述实验模型放置在风洞实验段中;
释放示踪粒子,使所述示踪粒子在所述自由风中运动;
照射所述实验模型区域中的所述示踪粒子;
采集所述实验模型区域的图像;
分析所述图像,计算流速;
根据所述流速,得到流场参数;
根据所述流场参数,确定输电线路风害形成条件。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述照射实验模型区域中的示踪粒子的方法包括:垂直照射和水平照射。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述流场参数包括:湍流强度、雷诺应力和涡量。
4.一种风洞实验装置,其特征在于,包括:
风洞实验段(1)、实验模型(2)、喷雾发射器(3)和粒子图像测速系统;
所述实验模型(2)设置在所述风洞实验段(1)中;
所述喷雾发射器(3),用于释放示踪粒子,使所述示踪粒子在所述自由风中运动;
所述粒子图像测速系统包括:
激光片光源(4),用于照射实验模型区域中的示踪粒子;
高速相机(5),用于采集所述实验模型区域的图像;
分析单元(6),用于分析所述图像,计算流速;
所述风洞实验装置还包括:
计算单元(7),用于根据所述流速,得到流场参数;
处理单元(8),用于根据所述流场参数,确定输电线路风害形成条件。
5.根据权利要求4所述的风洞实验装置,其特征在于,所述粒子图像测速系统还包括:脉冲激光器(9)和导光臂(10),所述脉冲激光器(9)通过所述导光臂(10)与所述激光片光源(4)连接。
6.根据权利要求5所述的风洞实验装置,其特征在于,所述装置还包括:控制单元(11),所述控制单元(11)一端与所述脉冲激光器(9)连接,另一端与所述处理单元(8)连接。
7.根据权利要求4所述的风洞实验装置,其特征在于,所述风洞实验段(1)长度为21m,所述风洞实验段(1)横截面积为1.2×1.2m2
8.根据权利要求4所述的风洞实验装置,其特征在于,所述实验模型(2)根据实际山体高度,按照2000:1缩比。
9.根据权利要求4所述的风洞实验装置,其特征在于,所述实验模型(2)设置在所述风洞实验段(1)入口处12m的下风向位置。
10.根据权利要求4所述的风洞实验装置,其特征在于,所述实验模型(2)为透明树脂模型;所述风洞实验段(1)的外侧玻璃为浮法玻璃。
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