CN109738153B - 一种超空泡内部流动测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超空泡内部流动测试装置，涉及流体力学流动测量领域，包括空化器装置、内窥镜相机和激光器装置；空化器装置包括空化器、透明玻璃、通气装置和PIV粒子发生器；空化器装置通过透明玻璃与外界空气隔离；通气装置形成通气超空泡；PIV粒子发生器将PIV示踪粒子注入超空泡内部；激光器装置产生激光片光，激光片光透过透明玻璃对超空泡内部流动的PIV示踪粒子进行照明；内窥镜相机包括内窥镜和相机，内窥镜头部布置在超空泡内部，内窥镜的另一端与相机连接；相机通过内窥镜对激光片光内的PIV示踪粒子进行拍摄。通过对粒子图像进行相关性计算，可以获得超空泡内部的流场信息，实现定量测量。

Description

一种超空泡内部流动测试装置
技术领域
本发明涉及流体力学流动测量领域，尤其是一种超空泡内部流动测试装置。
背景技术
对于水下运动物体而言，如何有效进行减阻一直以来都是研究的重点，目前水下航行体阻力减少的方法很多，其中包括超空泡减阻方法。当水下航行体的外表面被空泡包裹，只有一小部分与水接触时，其所受到的流体阻力会显著下降，从而大幅提高其航行速度，这种利用空泡来实现减阻的技术就是超空泡技术。然而，超空泡流动是一种非常复杂的流动问题，包含了非定常、可压缩、多相、湍流等流体力学研究中比较复杂的流动现象，这就给超空泡流动机理研究带来了困难。
随着计算机技术与图像处理技术的快速发展，借助激光片光照明的PIV(ParticleImage Velocimetry，粒子图像测速)可以瞬时无接触测量流场中一个截面上的二维速度分布，广泛地应用在气流和水流等流体力学的研究中。然而，由于超空泡流动的非定常性和多相性，在PIV试验中，激光片光会在超空泡水汽交界面产生严重的折射、散射和反射，使得PIV测量试验不准甚至完全错误。而且，由于超空泡附着在水下航行体表面，相机透过超空泡对其内部进行拍摄时也会产生严重的图像畸变，甚至由于空泡的反射折射，超空泡内部的流动结构完全观察不到，从而导致超空泡内部流动的相关速度场难以计算的问题。
发明内容
本发明针对上述问题及技术需求，提出了一种超空泡内部流动测试装置。
本发明的技术方案如下：
一种超空泡内部流动测试装置，包括：空化器装置、内窥镜相机和激光器装置；
所述空化器装置包括空化器、透明玻璃、通气装置和PIV粒子发生器；所述空化器布置在水中，所述空化器装置通过所述透明玻璃与外界空气隔离；所述通气装置穿过所述透明玻璃，用于形成通气超空泡；所述PIV粒子发生器穿过所述透明玻璃，用于将PIV示踪粒子注入超空泡内部；
所述激光器装置产生激光片光，所述激光片光透过所述透明玻璃对超空泡内部流动的PIV示踪粒子进行照明；
所述内窥镜相机包括内窥镜和相机，所述内窥镜穿过所述透明玻璃，所述内窥镜的头部布置在超空泡内部，所述内窥镜的另一端与外部的所述相机连接；所述相机通过所述内窥镜对所述激光片光内的PIV示踪粒子进行拍摄。
其进一步的技术方案为：所述内窥镜相机还包括可调角度反射镜和密封接头；
所述可调角度反射镜安装在所述内窥镜的头部，用于对拍摄角度进行调节；
所述透明玻璃上钻有通孔，所述内窥镜通过所述密封接头固定在所述透明玻璃的通孔处；所述密封接头用于调节所述内窥镜的头部在超空泡内部中的垂直距离。
其进一步的技术方案为：所述激光器装置包括激光器和导光臂；
所述激光器产生的激光透过所述透明玻璃对超空泡内部流动的PIV示踪粒子进行照明；
所述导光臂用于调节激光片光的位置。
其进一步的技术方案为：所述PIV粒子发生器安装有第一流量计，所述第一流量计用于调节超空泡内部PIV示踪粒子的浓度。
其进一步的技术方案为：所述通气装置安装有第二流量计，所述第二流量计用于改变超空泡的体积大小。
其进一步的技术方案为：所述空化器装置在使用时布置在测试区域的上端。
本发明的有益技术效果是：
该超空泡内部流动测试装置将PIV示踪粒子注射进入超空泡内部对流场进行示踪，通过激光片光透过透明玻璃对流场进行照明，相机通过内窥镜对超空泡内部流动进行拍摄，经过对粒子图像进行相关性计算，可以获得超空泡内部的流场信息，解决了现有的PIV测试技术无法对超空泡内部流动进行测量的问题，达到了对超空泡内部流场的定量测量，为开展超空泡等流动的机理研究提供了技术支撑。
附图说明
图1是本发明一个实施例提供的超空泡内部流动测试装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
图1是本发明一个实施例提供的超空泡内部流动测试装置的示意图，该装置可以实现对超空泡内部流动进行PIV速度场的定量测量，如图1所示，该装置可以包括：空化器装置、内窥镜相机和激光器装置；空化器装置包括空化器1、透明玻璃9、通气装置11和PIV粒子发生器8；内窥镜相机包括内窥镜3和相机2。空化器装置在使用时布置在测试区域的上端。
空化器1布置在水中，空化器装置通过透明玻璃9与外界空气隔离；通气装置11穿过透明玻璃9，用于形成通气超空泡；PIV粒子发生器8穿过透明玻璃9，用于将PIV示踪粒子注入超空泡内部，对流动进行粒子示踪。
可选的，PIV粒子发生器8安装有第一流量计10，第一流量计10用于调节超空泡内部PIV示踪粒子的浓度。
通气装置11是为了在空化器1后面形成通气超空泡。可选的，通气装置11安装有第二流量计12，第二流量计12用于改变超空泡的体积大小，形成不同的超空泡。
激光器装置产生激光片光，激光片光透过透明玻璃9对超空泡内部流动的PIV示踪粒子进行照明。
可选的，激光器装置包括激光器6和导光臂7；激光器6产生的激光透过透明玻璃9对超空泡内部流动的PIV示踪粒子进行照明；导光臂7用于调节激光片光的位置。
内窥镜3穿过透明玻璃9，内窥镜3的头部布置在超空泡内部，内窥镜3的另一端与外部的相机2连接；相机2通过内窥镜3对激光片光内的PIV示踪粒子进行拍摄。
可选的，内窥镜相机还包括可调角度反射镜5和密封接头4；可调角度反射镜5安装在内窥镜3的头部，用于对拍摄角度进行调节；透明玻璃9上钻有通孔，内窥镜3通过密封接头4固定在透明玻璃9的通孔处；密封接头4用于调节内窥镜3的头部在超空泡内部中的垂直距离，从而实现对超空泡内部流动的观察拍摄。密封接头4可以将超空泡内部流动和外部大气进行隔离。
内窥镜3利用相机2拍摄从而实现对超空泡内部不同截面位置的PIV流场测试。
对于本发明实施例提供的超空泡内部流动测试装置的工作原理为：
在试验开始前，将超空泡内部流动测试装置的空化器1放置在测试区域内，用透明玻璃9替换测试区域的上壁面，将干燥的PIV示踪粒子放置在PIV粒子发生器8中，关闭PIV粒子发生器8上第一流量计10和通气装置11上的第二流量计12。开启水速，当水速稳定后，将通气装置11上的第二流量计12开启调节到试验工况，然后开启PIV粒子发生器8上的第一流量计10，开始对形成的通气超空泡内部的流动进行粒子示踪；然后开启激光器6对超空泡内部进行照明，借助相机2通过内窥镜3对激光片光内的示踪粒子进行拍摄，通过调节PIV粒子发生器8上的第一流量计10调节超空泡内部PIV示踪粒子的浓度，调节内窥镜3头部的可调角度反射镜5，对拍摄的角度进行调节，当得到满足PIV相关计算的清晰的粒子图像，开始超空泡内部流动的PIV流场定量测量。
由于调节通气装置11上的第二流量计12改变了超空泡的通气量，超空泡的形状大小也会发生改变，这时可以通过调节内窥镜3在超空泡内部的位置来改变相机2的拍摄区域。
利用导光臂7调节激光片光位置，通过内窥镜3利用相机2拍摄，从而实现对超空泡内部不同截面位置的PIV流场测量。
通过本发明实施例提供的超空泡内部流动测试装置对超空泡内部流场进行测量，能够得到超空泡内部清晰的速度场结构图，解决了现有的PIV测试技术无法对超空泡内部流动进行测量的问题，达到了对超空泡内部流场的定量测量，为开展超空泡等流动的机理研究提供了良好的技术支撑。
需要说明的是，本发明实施例提供的超空泡内部流动测试装置不仅可以用于超空泡流场的测量，还可以应用到其他狭小空间的流场测量，比如水泵内流场的测量。
另外，本发明实施例提供的超空泡内部流动测试装置可以不需要PIV粒子发生器8进行粒子播撒以及激光器6进行片光照明，仅依靠内窥镜3和相机2可以实现对超空泡内部流动形态的定性观察。
以上所述的仅是本发明的优先实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超空泡内部流动测试装置，其特征在于，包括：空化器装置、内窥镜相机和激光器装置；
所述空化器装置包括空化器、透明玻璃、通气装置和PIV粒子发生器；所述空化器布置在水中，所述空化器装置通过所述透明玻璃与外界空气隔离；所述通气装置穿过所述透明玻璃，用于形成通气超空泡；所述PIV粒子发生器穿过所述透明玻璃，用于将PIV示踪粒子注入超空泡内部；
所述激光器装置产生激光片光，所述激光片光透过所述透明玻璃对超空泡内部流动的PIV示踪粒子进行照明；
所述内窥镜相机包括内窥镜和相机，所述内窥镜穿过所述透明玻璃，所述内窥镜的头部布置在超空泡内部，所述内窥镜的另一端与外部的所述相机连接；所述相机通过所述内窥镜对所述激光片光内的PIV示踪粒子进行拍摄；所述内窥镜相机还包括可调角度反射镜，所述可调角度反射镜安装在所述内窥镜的头部，用于对拍摄角度进行调节。
2.根据权利要求1所述的超空泡内部流动测试装置，其特征在于，所述内窥镜相机还包括密封接头；
所述透明玻璃上钻有通孔，所述内窥镜通过所述密封接头固定在所述透明玻璃的通孔处；所述密封接头用于调节所述内窥镜的头部在超空泡内部中的垂直距离。
3.根据权利要求1所述的超空泡内部流动测试装置，其特征在于，所述激光器装置包括激光器和导光臂；
所述激光器产生的激光透过所述透明玻璃对超空泡内部流动的PIV示踪粒子进行照明；
所述导光臂用于调节激光片光的位置。
4.根据权利要求1所述的超空泡内部流动测试装置，其特征在于，所述PIV粒子发生器安装有第一流量计，所述第一流量计用于调节超空泡内部PIV示踪粒子的浓度。
5.根据权利要求1所述的超空泡内部流动测试装置，其特征在于，所述通气装置安装有第二流量计，所述第二流量计用于改变超空泡的体积大小。
6.根据权利要求1至5任一所述的超空泡内部流动测试装置，其特征在于，所述空化器装置在使用时布置在测试区域的上端。
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