CN107389973B - 一种获取导管桨内部流场的水下piv测量平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种获取导管桨内部流场的水下PIV测量平台，涉及舰船推进器水动力性能试验领域，由高透导管桨模型、敞水动力仪、同步编码器和水下PIV测量系统组成；导管桨模型材料为有机玻璃，使得水下PIV测量系统中激光光源透射整体内部流场，敞水动力仪反向安装以满足PIV流场测量要求，通过同步编码器控制PIV试验过程中拍摄双帧图像中螺旋桨叶片的异相性和同相性，水下PIV测量系统经由非标准标定、双帧图像拍摄及畸变图像还原处理，最终得到基于时间平均和相位平均的多种导管桨内流场结果。本发明一种获取导管桨内部流场的水下PIV测量平台测量精度高，可操作性强，在船舶特种推进器模型试验设计中创新性较好，在科研领域具备较高的参考和推广价值。
Description
技术领域
本发明属于船舶特种推进器模型试验领域，具体涉及的是一种获取导管桨内部流场的水下PIV测量平台。
背景技术
导管螺旋桨又称套筒螺旋桨，是在螺旋桨的外围加上一个环形套筒组成，套筒的剖面为机翼型或折角线型，导管能在保护螺旋桨的同时提高能推进效率，在工作状态载荷较重的工程类船舶中得到广泛应用。
导管桨模型试验是导管桨设计中必不可少的重要步骤，且现阶段的研究重点已经从宏观的水动力性能转换到基于精细流场测量的流动细节分析，导管桨桨盘面处流场信息直接影响导管桨的载荷和效率。由于受到导管或桨叶的遮挡，基于光学测量的流场试验手段对螺旋桨盘面及导管桨内流场的流场信息测量一直是试验测量的重难点问题。导管桨敞水试验是预报导管桨推进性能的重要试验内容，粒子图像测速技术(PIV)被广泛的应用于螺旋桨尾流精细流场测量当中。
搭建一种获取导管桨内部流场的水下PIV测量平台有助于解决上述难题，该平台中设计的透明材料导管桨透光率高、收缩率小、强度大、密度接近于水，该新材料导管桨能够使得激光光源透射整体测量区域，避免金属材质模型导致的遮挡和反光问题，整体加工成型能提升模型的结构强度满足实验要求。此外，敞水动力仪反向安装以避免动力仪对PIV相机拍摄的影响，同步编码器能够控制PIV试验过程中拍摄的双帧图像中螺旋桨叶片的相位，可以得到基于时间平均和相位平均的多种导管桨内流场特性，该发明适用于多种导管桨性能试验且具有创新性。
本发明一种获取导管桨内部流场的水下PIV测量平台，能应用于处理特殊流场测量中存在的物面遮挡问题，有助于丰富和拓展船舶特种推进器试验技术手段。其特点在于:该水下PIV测量平台通过设计新材料导管桨透射PIV激光片光源，整体加工设计及材料强度保证高透导管桨模型与金属模型性能一致，敞水动力仪及同步编码器精度能控制PIV测量系统拍摄的双帧图像的异相性和同相性，丰富测量结果类型并提高流场测量精度。
发明内容
本发明为了解决以物面遮挡问题，组合敞水动力仪、同步编码器和水下PIV测量系统对各模块的技术要求，设计一种获取导管桨内部流场的水下PIV测量平台。
本发明的目的是这样实现的：
一种获取导管桨内部流场的水下PIV测量平台，由高透导管桨模型、敞水动力仪(3)、同步编码器和水下PIV测量系统组成，所述的高透导管桨模型由透明导管模型(1)、透明螺旋桨模型(2)、导管连接杆(4)构成；所述透明螺旋桨模型(2)安装在透明导管模型(1)里面；所述敞水动力仪(3)通过导管连接杆(4)与透明导管模型(1)固连；所述水下PIV测量系统由水下PIV雷体(5)、激光片光源(6)、PIV相机(7)构成。
所述的透明导管模型(1)在材料密度、收缩率、透光率、抗拉、压强度、加工成型等方面满足技术要求。
所述的透明导管模型(1)和透明螺旋桨模型(2)通过立体雕刻机、浇筑、表面抛光打磨等方法整体加工。
所述的敞水动力仪(3)进行反向安装。
所述的水下PIV测量系统在应用过程中满足PIV试验基本流程，并对畸变图像进行针对性处理。
所述的透明导管模型(1)采用有机玻璃的密度为1.18g/cm3，收缩率在0.45％-0.9％之间，透光率高于96％，抗拉强77Mpa，抗压强度不低于130Mpa。
所述的水下PIV雷体(5)尾部设有激光片光源(6)；所述的水下PIV雷体(5)前后安装两个PIV相机(7)。
所述的一种获取导管桨内部流场的水下PIV测量平台，所述的PIV试验基本流程如下：
(1)撒播示踪粒子；
(2)标定测量截面扭曲坐标系；
(3)水下相机拍摄双帧图像；
(4)处理畸变图像；
(5)计算机处理得到导管桨内部精细流场信息。
所述步骤(3)其特征在于：通过同步编码器控制PIV试验过程中拍摄双帧图像中螺旋桨叶片的异相性和同相性，所述水下PIV测量系统经由非标准标定、双帧图拍摄及畸变图像还原处理。
本发明的有益效果在与：
本发明一种获取导管桨内部流场的水下PIV测量平台，该水下PIV测量平台通过设计新材料导管桨透射PIV激光片光源，整体加工设计及材料强度保证高透导管桨模型与金属模型性能一致，本发明采用透明材料导管桨模型密度与水接近、透光率高、材料收缩率小、强度高，整体成型设计提升了装置可靠性，敞水动力仪反向安装以避免动力仪对PIV相机拍摄的影响,结合同步编码器可以控制PIV测量系统拍摄的双帧图像的异相性和同相性，丰富测量结果类型并提高流场测量精度。
附图说明
图1为本发明中敞水动力仪反向安装示意图；
图2为本发明一种获取导管桨内部流场的PIV测量平台示意图；
图3为PIV试验中常规导管桨与高透导管桨光路的横截面示意图。
具体实施方式
结合附图对本发明做更详细的描述：
本发明的目的是设计一种获取导管桨内部流场的水下PIV测量平台。本发明中设计了一种新型高透导管桨模型解决以物面遮挡问题，组合敞水动力仪、同步编码器和水下PIV测量系统并提出了各模块的技术要求，叙述了详细的平台使用的关键步骤，适用于导管桨内部流场测量。该发明的特点在于:透明材料导管桨模型密度与水接近、透光率高、材料收缩率小、强度高，整体成型设计提升了装置可靠性，敞水动力仪反向安装以避免动力仪对PIV相机拍摄的影响,结合同步编码器可以控制PIV测量系统中双帧图像的异相性和同相性，整体测量平台满足导管桨内部流场测量精度要求。
结合图1所示，是本发明中敞水动力仪反向安装示意图，从图中就可以看出，本发明主要由高透导管桨模型、敞水动力仪3、同步编码器和水下PIV测量系统组成，所述的高透导管桨模型由透明导管模型1、透明螺旋桨模型2、导管连接杆4构成；所述透明螺旋桨模型2安装在透明导管模型1里面；所述敞水动力仪3通过导管连接杆4与透明导管模型1固连；所述水下PIV测量系统由水下PIV雷体5、激光片光源6、PIV相机7构成。本发明透明导管模型1在材料密度、收缩率、透光率、抗拉、压强度、加工成型等方面满足技术要求，采用有机玻璃的密度为1.18g/cm3，收缩率在0.45％-0.9％之间，透光率高于96％，抗拉强77Mpa，抗压强度不低于130Mpa。所述的透明导管模型1和透明螺旋桨模型2通过立体雕刻机、浇筑、表面抛光打磨等方法整体加工。
结合图2所示，在敞水试验中，敞水动力仪3反向安装以避免动力仪对PIV相机7拍摄的影响，水下PIV测量系统中的激光片光源6直接透射导管桨，PIV系统中前后两个相机直接拍摄到桨盘面双帧图像，经过后处理可以得到测量截面的全部流场信息。同步编码器能够控制PIV试验过程中拍摄的双帧图像中螺旋桨叶片的相位，可以得到基于时间平均和相位平均的多种导管桨内流场特性。
结合图3所述，PIV试验中常规导管桨与高透导管桨光路的横截面示意图，从图中可以看出，常规导管桨是由金属螺旋桨模型8和常规导管模型9构成，用相同激光片光源6进行透射，结果可以看出透射在常规导管桨有部分光向四周逸出。本发明采用透明材料导管桨模型密度与水接近、透光率高、材料收缩率小、强度高，整体成型设计提升了装置可靠性。
所述的水下PIV测量系统在应用过程中满足PIV试验基本流程，并对畸变图像进行针对性处理，基本流程如下：
(1)撒播示踪粒子；
(2)标定测量截面扭曲坐标系；
(3)水下相机拍摄双帧图像；
(4)处理畸变图像；
(5)计算机处理得到导管桨内部精细流场信息。
所述步骤(3)通过敞水动力仪反向安装以满足PIV流场测量要求，通过同步编码器控制PIV试验过程中拍摄双帧图像中螺旋桨叶片的异相性和同相性，水下PIV测量系统经由非标准标定、双帧图像拍摄及畸变图像还原处理，最终得到可以得到基于时间平均和相位平均的多种导管桨内流场结果，解决了内部流场测量中存在的物面遮挡问题。本发明所公开的导管桨内部流场水下PIV测量平台测量精度高，可操作性强，在船舶特种推进器模型试验设计中创新性较好，在科研领域具备较高的参考和推广价值。
Claims (8)
1.一种获取导管桨内部流场的水下PIV测量平台，由高透导管桨模型、敞水动力仪(3)、同步编码器和水下PIV测量系统组成，其特征在于：所述的高透导管桨模型由透明导管模型(1)、透明螺旋桨模型(2)、导管连接杆(4)构成；所述透明螺旋桨模型(2)安装在透明导管模型(1)里面；所述敞水动力仪(3)通过导管连接杆(4)与透明导管模型(1)固连；所述水下PIV测量系统由水下PIV雷体(5)、激光片光源(6)、PIV相机(7)构成；所述的透明导管模型(1)采用有机玻璃的密度为1.18g/cm3，收缩率在0.45％-0.9％之间，透光率高于96％，抗拉强77Mpa，抗压强度不低于130Mpa。
2.根据权利要求1所述的一种获取导管桨内部流场的水下PIV测量平台，其特征在于：所述的透明导管模型(1)在材料密度、收缩率、透光率、抗拉、压强度、加工成型方面满足技术要求。
3.根据权利要求1所述的一种获取导管桨内部流场的水下PIV测量平台，其特征在于：所述的透明导管模型(1)和透明螺旋桨模型(2)通过立体雕刻机、浇筑、表面抛光打磨方法整体加工。
4.根据权利要求1所述的一种获取导管桨内部流场的水下PIV测量平台，其特征在于：所述的敞水动力仪(3)进行反向安装。
5.根据权利要求1所述的一种获取导管桨内部流场的水下PIV测量平台，其特征在于：所述的水下PIV测量系统在应用过程中满足PIV试验基本流程，并对畸变图像进行针对性处理。
6.根据权利要求1所述的一种获取导管桨内部流场的水下PIV测量平台，其特征在于：所述的水下PIV雷体(5)尾部设有激光片光源(6)；所述的水下PIV雷体(5)前后安装两个PIV相机(7)。
7.根据权利要求5所述的一种获取导管桨内部流场的水下PIV测量平台，其特征在于，所述的PIV试验基本流程如下：
(1)撒播示踪粒子；
(2)标定测量截面扭曲坐标系；
(3)水下相机拍摄双帧图像；
(4)处理畸变图像；
(5)计算机处理得到导管桨内部精细流场信息。
8.根据权利要求7所述的一种获取导管桨内部流场的水下PIV测量平台，所述步骤(3)其特征在于：通过同步编码器控制PIV试验过程中拍摄双帧图像中螺旋桨叶片的异相性和同相性，所述水下PIV测量系统经由非标准标定、双帧图像拍摄及畸变图像还原处理。
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