CN107870079A - 一种模型俯仰运动下的流场测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模型俯仰运动下的流场测量系统及测量方法，在水槽上分别设置有上导轨一和上导轨二，支架上还设置有下导轨，两个上导轨上分别设置两个拖车，拖车一上设置有侧向连接杆，侧向连接杆上设置有滑块一，拖车二上通过连接杆连接有反光镜，下导轨上设置有滑块二，滑块一和滑块二上分别设置有一滑片，两个滑片上分别设置有底座，每个底座上设置有一激光器和一相机，拖车一和拖车二之间设置有横向连接杆，横向连接杆上设置有滑块三，滑块三下端设置有步进电机和编码器，编码器的下端连接有测力天平，测力天平下端连接有待测翼型。本发明成本低、测量效率高，不仅适用于模型动态俯仰运动的测量，也适用于模型其他特定动态运动形式的流场测量。

Description

一种模型俯仰运动下的流场测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及一种流场测量系统，尤其涉及一种模型俯仰运动下的流场测量系统及测量方法，属于船舶水动力学试验技术领域。

背景技术

俯仰运动的翼型在水流或气流超过临界攻角时，流场会产生复杂的非定常分离、大尺度漩涡结构。从而发生失速现象，通常称为动态失速。在船后舵、各类飞行器以及风力机中均存在动态失速现象。俯仰运动可以使翼型在大攻角下获得较高的升力，扩大翼型可用攻角范围，使其在水动与气动方面获得收益的同时，俯仰运动也会对结构的稳定性和安全性造成不利影响。近年来，国际上对俯仰运动翼型的动态失速问题进行了广泛而深入的探讨。研究俯仰运动下翼型的流动特征无论是对航空航天领域还是船舶与海洋结构物设计领域都具有十分重要的意义。计算流体力学(CFD)方法是目前预测动态失速的一种主要手段，其在获得宏观力的同时也能对流场细节进行分析，但其可靠性问题较为突出。PIV(Particle Image Velocimetry,粒子图像测速)技术因为其测量流场的无干扰、瞬态和全场速度测量的特点，近年来备受关注。像PIV这样强大的实验测试技术，可以作为在现有的计算模型存在不足或缺少模型的基础上用于验证模型或作为发现新的物理现象的重要工具。目前国内外关于模型俯仰运动下的PIV实验记录十分少见，本发明提出了一种基于PIV技术的模型俯仰运动下的流场测量系统及测量方法，对研究模型俯仰运动下的流动特征具有重要价值。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种模型俯仰运动下的流场测量系统及测量方法。

本发明的目的是这样实现的：一种模型俯仰运动下的流场测量系统，包括设置在支架上的水槽，在水槽上端的两侧分别设置有上导轨一和上导轨二，支架上还设置有下导轨，且下导轨位于水槽下端的中间位置的正下方，所述上导轨一和上导轨二上分别设置有拖车一和拖车二，拖车一上设置有侧向连接杆，侧向连接杆上设置有既能垂直滑动又能旋转的滑块一，拖车二上通过连接杆连接有反光镜，所述下导轨上设置有滑块二，滑块一和滑块二上分别设置有滑片一和滑片二，滑片一和滑片二上分别设置有可滑动的底座，每个底座上设置有一激光器和一相机，拖车一和拖车二之间设置有横向连接杆，横向连接杆上设置有滑块三，滑块三的下端依次设置有步进电机和编码器，所述编码器的下端连接有测力天平，所述测力天平下端连接有待测翼型，待测翼型伸入至水槽中，拖车一和拖车二由拖车系统驱动。

一种模型俯仰运动下的流场的测量方法，包括所述的测量系统，步骤如下：

1)根据测量工况选定需要测量的待测翼型的待测截面，进行测量系统的标定；

2)将对应的相机和激光器调整到合适的测量位置和测量角度，开启激光器；

3)将待测翼型的俯仰运动规律通过输入运动方程的形式写入编码器，启动步进电机，使待测翼型进行俯仰运动；

4)启动拖车系统，使拖车一和拖车二按一定航速进行行驶，待航速稳定之后开启对应的相机进行拍摄；

5)待拖车停止即关闭相应的相机，关闭相应的激光器；

6)拖车系统使拖车一和拖车二倒回原处，根据新的测量工况选定新的测量截面，启用对应的相机和激光器，同时调整好相机和激光器对应位置和角度，重复实验，完成对模型俯仰运动下的流场的测量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用编码器与步进电机相结合的形式，实现了模型的动态俯仰运动，结构简单，操作方便。本发明中的侧向连接杆巧妙的将上轨道上的拖车系统与两套相机-激光器设备串联在了一起，配合下轨道上的滑块以及特殊的上下轨道结构形式，可以实现测量设备与模型的完全同步运动。两套相机-激光器设备位置的特殊分布，配合侧向连接杆上的滑块-底座-滑片结构可以实现多角度多方位全流场测量，大大的节约了更换和调试设备的时间成本，提高了测量效率，且结构简单可行性高。本发明的特殊结构决定了它不仅可以对微观的流场进行全方位测量，也可以对宏观力进行测量，它不仅适用于模型动态俯仰运动的测量，也适用于其他运动形式，如旋转圆柱绕流的测量等，同时本发明也适用于无特殊运动形式(不需开启编码器和步进电机)的模型测量。本发明最大化的实现了装置的利用率，大大节约了成本，并且操作简单测量效率高，加工简单易于推广，同时能有效解决动态模型流场PIV测量中全方位流场测量的难题。

附图说明

图1是一种模型俯仰运动下的流场测量系统结构示意图；

图2是一种模型俯仰运动下的流场测量系统局部结构示意图；

图3是一种模型俯仰运动下的流场测量系统激光光路示意图；

图中：1.上导轨一，2.横向连接杆，3.底座一，4.拖车一，5.侧向连接杆，6.滑块一，7.滑片一，8.下导轨，9.底座二，10.滑块二，11.滑片二，12.反光镜,13.上导轨二，14.水槽，15.激光器一，16.相机一，17.翼型，18.相机二，19.激光器二，20.测力天平，21.编码器，22.步进电机，23.滑块三，24.拖车二，25.待测模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1、2、3所示，本发明包括长方体水槽14，水槽14由透光性较好的有机玻璃制成，其上方左侧装有上导轨1，右侧装有上导轨13，底部中间装有下导轨8，两侧上导轨上装有拖车4和拖车24，两个拖车由横向连接杆2连接在一起，拖车系统通过可控的齿轮电机驱动来达到预定拖曳速度。横向连接杆2上装有滑块23，滑块23下端依次连接有步进电机22和编码器21，编码器21下端连接有测力天平20，测力天平20下端连接有待测翼型17，其中测力天平20可以测量六个方向的分力，翼型17的俯仰运动规律通过输入运动方程的形式写入编码器21，编码器21控制步进电机22从而实现待测翼型17的俯仰运动形式。水槽14右侧装有侧向连接杆5，侧向连接杆5上标有代表垂直距离的刻度，其上端与拖车4相连，侧向连接杆5上装有可垂直滑动和绕其旋转的滑块6，滑块6上固定连接有滑片7，滑片7上标有刻度并安装有可沿其滑动的底座3，底座3上装有激光器15和相机16，通过滑块6的垂直滑动可以精确的的改变测量位置，同时通过滑块6绕侧向连接杆5的转动，可以实现不同的相机16拍摄角度和激光器15打光角度，通过底座3在滑片7上的滑动，可以实现不同的相机16拍摄位置和激光器15打光位置。侧向连接杆5下端通过滑块10与下导轨8相连，滑块10可沿下导轨8无摩擦滑动，其上固定连接有滑片11，滑片11上标有刻度并安装有可沿其滑动的底座9，底座9上装有激光器19和相机18。滑片11可绕其中心点水平方向顺时针旋转90度，从而使激光器19打出的片光旋转90度，实现垂向截面平行于水槽14前壁方向截面流场的测量。通过底座9在滑片11上的滑动，可以实现不同的相机18拍摄位置和激光器19打光位置。拖车24上装有平面反光镜24，其可用来反射激光器15发出的激光，从而照亮待测模型的背光区域，使相机18能够无死角的拍摄，实现完整的截面测量。图中所有与所述侧向连接杆5直接或间接相连的测量设备均可随拖车一起运动。

本测量系统可以测量横向截面平行于水槽14底面方向截面流场，也可以测量纵向截面平行于水槽14侧壁方向截面流场，同时也可以测量垂向截面平行于水槽14前壁方向截面流场。当测量横向截面流场时，应当开启激光器15和相机18，当测量纵向截面流场时，应当开启激光器19和相机16。需要注意的是，当测量垂向截面流场时，应开启激光器19，同时将滑片11旋转90度，应当开启相机16，并将滑片7通过滑块6绕侧向连接杆5旋转至某一合适角度，同时通过底座3将相机16调整至滑片7的适当位置。下面以测量横向截面流场为例进行测量方法的说明，根据测量工况选定需要测量的截面，进行测量系统的标定。将对应的相机18和激光器15调整到合适的测量位置和测量角度，开启激光器15。将待测模型的俯仰运动规律通过输入运动方程的形式写入编码器21，启动步进电机22，使待测模型按一定的规律进行俯仰运动。启动拖车系统，并按一定航速进行行驶，待拖车系统航速稳定之后开启相机18进行拍摄，待拖车停止即关闭相机18，关闭激光器15。拖车系统倒回原处。根据新的测量工况选定新的测量截面，启用对应的相机和激光器，同时调整好相机和激光器对应位置和角度，重复实验。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种模型俯仰运动下的流场测量系统，包括长方体水槽，水槽设有导轨系统与拖车系统，所述导轨系统分为上导轨与下导轨，其中上导轨有两条，安装在水槽上方左右两侧，下导轨只有一条，安装在水槽底部中间位置。所述拖车系统位于左右两侧上导轨上，其可在导轨上以不同速度行驶，并由横向连接杆连接在一起。所述水槽由透光性较好的有机玻璃制成，其上方左右两侧装有上导轨，底部装有下导轨，所述上导轨上装有左右两个拖车系统，所述拖车系统由横向连接杆连接在一起，拖车系统通过可控的齿轮电机驱动来达到预定拖曳速度。

所述横向连接杆上装有滑块，所述滑块下端依次连接有步进电机和编码器，所述编码器下端连接有测力天平，所述测力天平下端连接有待测翼型，所述测力天平可以测量六个方向的分力，所述待测翼型的俯仰运动规律通过输入运动方程的形式写入编码器，编码器控制步进电机从而实现待测翼型的俯仰运动形式。水槽右侧装有侧向连接杆，所述侧向连接杆上标有代表垂直距离的刻度，其上端与拖车相连，侧向连接杆上装有可垂直滑动和绕其旋转的滑块，所述滑块上固定连接有滑片，所述滑片上标有刻度并安装有可沿其滑动的底座，所述底座上装有激光器和相机，通过滑块的垂直滑动可以精确的改变测量位置，同时通过滑块绕侧向连接杆的转动，可以实现不同的相机拍摄角度和激光器打光角度，通过底座在滑片上的滑动，可以实现不同的相机拍摄位置和激光器打光位置。侧向连接杆下端通过滑块与下导轨相连，所述滑块可沿所述下导轨无摩擦滑动，其上固定连接有滑片，所述滑片上标有刻度并安装有可沿其滑动的底座，所述底座上装有激光器和相机。所述滑片可绕其中心点水平方向顺时针旋转90度，从而使激光器打出的片光旋转90度，实现垂向截面(平行于水槽前壁方向截面)流场的测量。通过底座在滑片上的滑动，可以实现不同的相机拍摄位置和激光器打光位置。与所述侧向连接杆直接或间接相连的测量设备均可随拖车一起运动。拖车上装有平面反光镜，所述平面反光镜可用来反射激光器发出的激光，从而照亮待测模型的背光区域，使相机能够无死角的拍摄，实现完整的截面测量。所述一种模型俯仰运动下的流场测量系统不仅适用于模型动态俯仰运动的测量，也适用于模型其他动态运动形式，如旋转圆柱绕流的测量等。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种模型俯仰运动下的流场测量方法，包括如下步骤：

1)根据测量工况选定需要测量的截面，进行测量系统的标定。

2)将对应的相机和激光器调整到合适的测量位置和测量角度，开启激光器。

3)将待测模型的俯仰运动规律通过输入运动方程的形式写入编码器，启动步进电机，使待测模型按一定的规律进行俯仰运动。

4)启动拖车系统，并按一定航速进行行驶，待拖车系统航速稳定之后开启相机进行拍摄。

5)待拖车停止即关闭相机，关闭激光器。

6)拖车系统倒回原处，根据新的测量工况选定新的测量截面，启用对应的相机和激光器，同时调整好相机和激光器对应位置和角度，重复实验。

综上，本发明公开了一种模型俯仰运动下的流场测量系统。该装置包括长方体水槽，其上方左右两侧装有上导轨，底部装有下导轨，所述上导轨上装有左右两个拖车，其中一个拖车上装有平面反光镜，所述拖车系统由横向连接杆连接在一起，所述横向连接杆上装有滑块，所述滑块下端依次连接有步进电机和编码器，所述编码器下端连接有测力天平，所述测力天平下端连接有待测翼型，所述测力天平可以测量六个方向的分力。水槽右侧装有侧向连接杆，所述侧向连接杆上端与拖车相连，侧向连接杆上装有可垂直滑动和绕其旋转的滑块，所述滑块上固定连接有滑片，所述滑片上安装有可沿其滑动的底座，所述底座上装有激光器和相机。侧向连接杆下端通过滑块与下导轨相连，所述滑块上固定连接有滑片，所述滑片上安装有可沿其滑动的底座，所述底座上装有激光器和相机。本发明成本低、测量效率高，不仅适用于模型动态俯仰运动的测量，也适用于模型其他特定动态运动形式的流场测量。

Claims (2)

1.一种模型俯仰运动下的流场测量系统，其特征在于：包括设置在支架上的水槽，在水槽上端的两侧分别设置有上导轨一和上导轨二，支架上还设置有下导轨，且下导轨位于水槽下端的中间位置的正下方，所述上导轨一和上导轨二上分别设置有拖车一和拖车二，拖车一上设置有侧向连接杆，侧向连接杆上设置有既能垂直滑动又能旋转的滑块一，拖车二上通过连接杆连接有反光镜，所述下导轨上设置有滑块二，滑块一和滑块二上分别设置有滑片一和滑片二，滑片一和滑片二上分别设置有可滑动的底座，每个底座上设置有一激光器和一相机，拖车一和拖车二之间设置有横向连接杆，横向连接杆上设置与滑块三，滑块三的下端依次设置有步进电机和编码器，所述编码器的下端连接有测力天平，所述测力天平下端连接有待测翼型，待测翼型伸入至水槽中，拖车一和拖车二由拖车系统驱动。

2.一种模型俯仰运动下的流场的测量方法，其特征在于：包括权利要求1的测量系统，步骤如下：

1)根据测量工况选定需要测量的待测翼型的待测截面，进行测量系统的标定；

2)将对应的相机和激光器调整到合适的测量位置和测量角度，开启激光器；

3)将待测翼型的俯仰运动规律通过输入运动方程的形式写入编码器，启动步进电机，使待测翼型进行俯仰运动；

4)启动拖车系统，使拖车一和拖车二按一定航速进行行驶，待航速稳定之后开启对应的相机进行拍摄；

5)待拖车停止即关闭相应的相机，关闭相应的激光器；

6)拖车系统使拖车一和拖车二倒回原处，根据新的测量工况选定新的测量截面，启用对应的相机和激光器，同时调整好相机和激光器对应位置和角度，重复实验，完成对模型俯仰运动下的流场的测量。