CN108279110A - 一种风洞内风速分布的同步测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种风洞内风速分布的同步测量装置及测量方法，它包括测风设备（2），其特征在于：传感器（3）通过支架（4）和底座（5）固定在风洞截面（1）内，测风设备（2）通过光纤跳线（6）与传感器（3）连接；所述传感器（3）采用分布式光纤作为传感介质，所述分布式光纤为金属铠装光单元或绞线光缆；解决了解决了现有技术对风洞内截面风速分布的测量存在的需要多次更换探测器位置，操作较为繁琐，且所测得各处结果不具备同步性，探测器位置的改变也会影响到风场稳定，可行性较差；现有技术对风洞内部风速的截面分布缺乏可进行同步测量等技术问题。
Description
技术领域
本发明属于风洞内风速分布测量技术，尤其涉及一种风洞内风速分布的同步测量装置及测量方法。
背景技术
风洞是人工产生受控气流的管状空气动力实验室，作为工程试验的重要工具，目的是产生与现实环境相同或某些参数相似的特定气流。风洞流场的主要控制参数有风速大小、湍流度等，对于模拟大气边界层风速分布的风洞，风速的空间分布及由此计算的空间点之间的互谱、相关性等也是重要的指标。
风洞中的风速测量常见手段是基于各种原理的点式风管，如皮托压力风管、热线风管等体积较小者均在风洞中适用，湍流度、相关性等可从单点测量的连续结果中换算得到。对风速的截面分布，既可使用点式风管对空间网格（CN 102706532 B）进行逐点测量，也可使用排式风管（CN 203455362 U）实现一列空间点风速的同时测量，结合使用移动导轨则理论上可取得风洞内的风速分布（CN 203772516 U）。然而无论是点式还是排式探测，在截面风速分布的测量过程中需要多次更换探测器位置，操作较为繁琐，且所测得各处结果不具备同步性，探测器位置的改变也会影响到风场稳定。如果直接采用点式传感器阵列构造面式探测，则传感器自身及其附件的体积将明显改变风洞气流导致测量无效，且还需要处理批量数据的同步性及标定传感器的响应一致程度，可行性较差。总体来说，风洞内部风速的截面分布缺乏可进行同步测量且对原风场影响较小的方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种风洞内风速分布的同步测量装置及测量方法，以解决现有技术对风洞内截面风速分布的测量存在的需要多次更换探测器位置，操作较为繁琐，且所测得各处结果不具备同步性，探测器位置的改变也会影响到风场稳定，可行性较差；现有技术对风洞内部风速的截面分布缺乏可进行同步测量等技术问题。
本发明的技术方案是：
一种风洞内风速分布的同步测量装置，它包括测风设备，传感器通过支架和底座固定在风洞截面内，测风设备通过光纤跳线与传感器连接；所述传感器采用分布式光纤作为传感介质，所述分布式光纤为金属铠装光单元或绞线光缆。
所述传感器为金属铠装光单元或绞线光缆以等间距之字形平行往复排列形成的方形平面结构传感器，行间距为风洞风速分布测量所需的空间分辨率，最小行间距大于光单元直径的20倍。
所述传感器为二套方形平面结构传感器垂直相交固定形成的方形网格结构。
支架用于支撑固定传感器，支架为四边形框架钢材结构，支架与传感器平面的外围进行固定，支架上下端分别采用底座与风洞边壁固定，底座为角钢。
所述的一种风洞内风速分布的同步测量装置的测量方法，包括：
步骤1、装置安装：将传感器通过支架和底座固定在风洞截面内，测风设备通过光纤跳线与传感器连接；
步骤2、坐标定位：启动测风设备，确定传感器各段对应的风洞内截面空间坐标，输出从光路距离L到空间待测位置(x, y)的一一对应关系列表；
步骤3、风速测量：通过测风设备测量并输出光纤上各点的风速v(l, t)，距离l为利用光时域反射技术确定的光单元上该点离设备端的光纤距离，t为测量时间；
步骤4、分布换算：将每个时刻分别测得的光纤上各点的风速v(l, t)经过坐标定位对应关系替换后得到各时刻的风洞空间风速分布v(x, y, t)。
步骤5、对比纵横两部分传感器风速数据，剔除异常点之后将位于同一空间坐标的数据取平均。
本发明有益效果：
本发明利用光纤光缆构造合适的传感器，使用分布式光纤测风系统，传感器放置于风洞中进行风速的空间分布测量。可获得准确的瞬时截面风速分布；通过传感器网格结合分布式探测可以一次性获得风洞气流截面各点的同步风速信息，测量过程简单快速，可测取多个时刻的数据以给出可靠的统计结果。由于光单元的毫米级直径及均布的形状，传感网格具有极小的受风面积并且对风洞风场扰动较均匀，使其自身对风速的影响最小化并测得较准确的风速；解决了现有技术对风洞内截面风速分布的测量存在的需要多次更换探测器位置，操作较为繁琐，且所测得各处结果不具备同步性，探测器位置的改变也会影响到风场稳定，可行性较差；现有技术对风洞内部风速的截面分布缺乏可进行同步测量等技术问题。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明测量方法流程示意图。
具体实施方式
一种风洞内风速分布的同步测量装置，它包括测风设备2，传感器（3）通过支架4和底座5固定在风洞截面1内，测风设备2通过光纤跳线6与传感器3连接。
其中的传感器3使用分布式光纤作为传感介质，具体可使用金属铠装光单元。取得足够长度的光单元，以信号传输允许的光纤曲率在端部进行机械屈曲，使光单元按等间距之字形平行往复排列形成方形平面，尺寸按照风洞大小设置，行间距建议为风洞风速分布测量所需的空间分辨率，其最小间距建议大于光单元直径的20倍，以避免对风洞气流造成显著影响。形成的传感器测量测量面宽度与高度按照目标风洞的尺寸设置。对于高速风洞则优选强度更高的绞线光缆。
一种改进的传感器结构是形成上述结构的平行排列光单元后继续沿竖向排布光单元，间距控制与平行排列相同，形成走向垂直相交的两组光单元，见图1中的传感器3网格结构；将横竖两排光单元各交叉点相互固定，实现较高的机械强度，并且可用两个方向上测量的数据对照以剔除光纤异常点；传感器3采用网格结构，可以增加装置透风性，降低风阻；使装置在测量过程中不会被风吹倒或损坏，提高装置的使用寿命。
支架4用于支撑固定传感器3，支架4为四边形框架钢材结构，支架4与传感器3平面的外围进行固定，支架4上下端分别采用底座5与风洞边壁固定，底座5为角钢。
支架4可使用足够强度的实心钢筋，支架形状按照传感器平面的形状设置（如图1为四边形），选择合适受力点焊接传感器与支架使之固定。支架通过上下方的底座5与风洞连接固定，底座可选为角钢，与支架通过金属卡扣连接，再通过螺丝将底座固定在风洞上下壁，使角钢面顺风向布置以减少风阻。
测风设备2布置在风洞外，采用分布式光纤测风系统（参考CN 106199056 A），其光路接口通过光纤跳线6穿入风洞与传感器3的光纤出口进行连接。测风设备外接电源使用，输出光纤各位置的风速。
一个准备过程是确定传感器光单元各段对应的风洞内截面空间坐标，方法是通过对光单元各个外缘端点单独进行人工扰动，从分布式光纤测风系统的振动信号峰值位置确定对应的光纤距离l，并记录各端点在风洞内的坐标。依据该组定位，根据线性插值确定相邻两端点之间光单元直线上待测点各位置(x, y)对应的光纤距离l。该方法可行的依据是，测风设备是通过测量该位置上光纤的风致振动来获得风速，对人工扰动具有同样的敏感性，可在信号沿光纤的分布曲线上定位出扰动位置，并由光纤在光单元内的线性分布来进行外推。
所述的一种风洞内风速分布的同步测量装置的测量方法，包括：
步骤1、装置安装：将传感器3通过支架4和底座5固定在风洞截面1内，测风设备2通过光纤跳线6与传感器3连接；
步骤2、坐标定位：启动测风设备2，确定传感器3各段对应的风洞内截面空间坐标，输出从光路距离L到空间待测位置(x, y)的一一对应关系列表；
步骤3、风速测量：通过测风设备2测量并输出光纤上各点的风速v(l, t)，距离l为利用光时域反射技术确定的光单元上该点离设备端的光纤距离，t为测量时间；
步骤4、分布换算：将每个时刻分别测得的光纤上各点的风速v(l, t)经过坐标定位对应关系替换后得到各时刻的风洞空间风速分布v(x, y, t)。
它还包括：步骤5、对比纵横两部分传感器风速数据，剔除异常点之后将位于同一空间坐标的数据取平均。
Claims (6)
1.一种风洞内风速分布的同步测量装置，它包括测风设备（2），其特征在于：传感器（3）通过支架（4）和底座（5）固定在风洞截面（1）内，测风设备（2）通过光纤跳线（6）与传感器（3）连接；所述传感器（3）采用分布式光纤作为传感介质，所述分布式光纤为金属铠装光单元或绞线光缆。
2.根据权利要求1所述的一种风洞内风速分布的同步测量装置，其特征在于：所述传感器（3）为金属铠装光单元或绞线光缆以等间距之字形平行往复排列形成的方形平面结构传感器，行间距为风洞风速分布测量所需的空间分辨率，最小行间距大于光单元直径的20倍。
3.根据权利要求2所述的一种风洞内风速分布的同步测量装置，其特征在于：所述传感器（3）为二套方形平面结构传感器垂直相交固定形成的方形网格结构。
4.根据权利要求2或3所述的一种风洞内风速分布的同步测量装置，其特征在于：支架（4）用于支撑固定传感器（3），支架（4）为四边形框架钢材结构，支架（4）与传感器（3）平面的外围进行固定，支架（4）上下端分别采用底座（5）与风洞边壁固定，底座（5）为角钢。
5.如权利要求1所述的一种风洞内风速分布的同步测量装置的测量方法，包括：
步骤1、装置安装：将传感器（3）通过支架（4）和底座（5）固定在风洞截面（1）内，测风设备（2）通过光纤跳线（6）与传感器（3）连接；
步骤2、坐标定位：启动测风设备（2），确定传感器（3）各段对应的风洞内截面空间坐标，输出从光路距离L到空间待测位置(x, y)的一一对应关系列表；
步骤3、风速测量：通过测风设备（2）测量并输出光纤上各点的风速v(l, t)，距离l为利用光时域反射技术确定的光单元上该点离设备端的光纤距离，t为测量时间；
步骤4、分布换算：将每个时刻分别测得的光纤上各点的风速v(l, t)经过坐标定位对应关系替换后得到各时刻的风洞空间风速分布v(x, y, t)。
6.根据权利要求5所述的一种风洞内风速分布的同步测量装置的测量方法，其特征在于：它还包括：步骤5、对比纵横两部分传感器风速数据，剔除异常点之后将位于同一空间坐标的数据取平均。
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