CN110398611B - 低速二冲程船用柴油机气缸稳态流动测试装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低速二冲程船用柴油机气缸稳态流动测试装置与方法，测试装置部分的组成结构是：风机与稳压箱、流量计、混合箱、稳压筒依次连接，气流可沿稳压筒三个通路进入扫气箱。扫气口与加长缸套连接，直线电机与活塞轴连接，活塞位于加长缸套内，排气管与加长缸套密封连接，排气门位于加长缸套内。支撑台架设有齿轮、齿条并组成传动副，齿轮齿条移动使排气门位于加长缸套内不同位置。其测试方法为：激光器光源入射至加长缸套的截面，两台相机置于两侧。速度测试分为三个步骤：获取相机测取参数；消除图像畸变；对CCD相机视场进行三维重构。本装置利用PIV仪系统测试可获得各个截面处的流场，同时可以测得全局速度与涡流强度。

Description

低速二冲程船用柴油机气缸稳态流动测试装置与方法

技术领域

本发明属于发动机测试技术领域，具体涉及一种船用柴油机气缸流动测试装置。

背景技术

随着科技水平的不断提高，船舶业也逐渐走向大型化、自动化，由此对船舶推进装置提出了更高的功率要求。低速二冲程柴油机由于功率大、可靠性高、耐用性强、经济性好等显著优点，被广泛应用于大型民用船舶上。由于其采用重油为燃料，燃烧后会产生大量的有害废气，其中包括氮氧化物(NO_x)、硫氧化物(SO_x)、一氧化碳(CO)、未燃碳氢化合物(HC)以及颗粒(PM)等。扫气过程覆盖了从扫气口开启到排气门关闭的整个阶段。高效的扫气过程则可有效改善船用低速二冲程柴油机的燃烧特性，实现提高功率、降低油耗和排放、提高发动机可靠性的目的。

国内外针对船用二冲程柴油机扫气过程的研究主要采用实验手段，有以下几种方法：(1)热线风速仪组件，该仪器最早应用于内燃机缸内速度场的测量及流动特性的研究，但热线风速仪组件具有一定的使用局限性，其接触式测量会对流场产生一定干扰，同时由于热线对温度敏感性的限制，其只能针对发动机的进气及压缩阶段进行测量，因此应用范围十分受限。(2)激光多普勒测速技术(LDA)，该技术避免了测试装置对流场的干扰，采用非接触式的测量方式，具有较好的方向性及较高的空间与时间分辨率。但是，该技术与热线风速仪组件相同，均为单点测量，多点测量只能通过不断移动被测点来实现，测量效率低下。(3)粒子图像测速仪(PIV)，该技术能够实现空间瞬时流场的实时测量，能够呈现出更全面的缸内流场演变过程，能够捕捉缸内滚流或涡流演变规律、平均及脉动流场特征等，直接获取不同进气形式、气道形状以及活塞形状等对缸内流动影响程度的信息。但是，2D-PIV系统得到的是平面二维速度场，而3D-PIV系统则可以得到平面三维速度场。

由于实际应用中的绝大多数流动均为三维流动，相对于2D-PIV，3D-PIV可以更真实地认识流动状态。此外，采用叶片风速仪可以实现对扫气涡流强度的宏观评价，并与3D-PIV结果进行对比验证。因此，设计一种低速二冲程船用柴油机稳态流动测试装置，实现叶片风速仪和3D-PIV技术的结合，对于分析实机扫气过程中缸内气流流动特征、扫气性能等宏观参数具有重要的实用价值。

发明内容

本发明的目的是，提供一种低速二冲程船用柴油机气缸稳态流动测试装置与方法，可观察和测量宏观及微观流场，对缸内各截面处进行流场分析。

本发明分为两大部分，一个是低速二冲程船用柴油机气缸稳态流动测试装置；另外一个是利用该测试装置对气缸内三维稳态流动速度测试的方法。

低速二冲程船用柴油机气缸稳态流动测试装置的原理与结构是，测试装置具有：风机、稳压箱、流量计、混合箱、稳压筒、扫气箱、扫气口、加长缸套、直线电机、活塞、缸套支架、排气管、排气门、支撑台架、齿轮、手柄、齿条、阀门、发动机单缸机、多缸机、叶片风速仪组件、十字支架、叶片、叶片支撑杆、轴承、激光器及片光源、CCD相机、变频器、示踪粒子、PIV仪、以及霍尔传感器等。

测试装置部件组成结构是：风机与稳压箱输入管连接，稳压箱的输出管依次与流量计、混合箱、稳压筒连接，稳压筒设有三个通路，气流可沿三个通路进入扫气箱。扫气箱中的扫气口与加长缸套连接，直线电机与活塞轴连接，活塞位于加长缸套内，加长缸套通过缸套支架进行固定，排气管与加长缸套通过密封圈密封连接。排气管入口设有排气门，带有排气门的排气管段位于加长缸套内。排气管由支撑台架支撑固定，在支撑台架上部设有齿轮，手柄与齿轮同轴连接固定。排气管的上方设有齿条，齿轮与齿条组成传动副，转动手柄齿轮带动齿条水平移动，满足排气门位于加长缸套内不同位置的要求。

利用低速二冲程船用柴油机气缸稳态流动测试装置进行三维速度的测试方法，激光器及片光源入射至加长缸套的截面，两台CCD相机置于加长缸套的两侧，两台相机镜头夹角在60°至90°之间。三维速度测试方法的具体步骤如下：

(1)将激光器片光源射出的片光固定在拍摄平面位置，将标定板放置在缸套内标定平面与拍摄平面重合的位置。获取两部CCD的测取的参数，对CCD相机进行内外参数及畸变系数的标定。

其中，旋转矩阵R＝[r₁₁，r₁₂，r₁₃；r₂₁，r₂₂，r₂₃；r₃₁，r₃₂，r₃₃]，平移矩阵T＝[t_x；t_y；t_z]，点的相机坐标为(x,y,z)，世界坐标为(x_w,y_w,z_w)，图像坐标为(X_u,Y_u)，实际成像的点在图像中坐标为(X_d,Y_d)，根据世界坐标系和相机坐标系的变换可得：

则由RAC约束(径向约束，即三角相似)可得：

将式(2)移项、同除以t_y、整理可得：

其中，列向量的参数为未知量。

畸变的图像坐标(X_d,Y_d)到像素坐标(u_d,v_d)的变换为：

其中，s_x为图像尺度因子，d′_x＝d_xN_cx/N_fx，d_x和d_y为摄像机在X和Y方向上的像素间距，N_cx为摄像机在X方向上的像素数，N_fx为计算机在X方向采集到的行像素数，(u₀,v₀)表示光学中心，即像素坐标系原点。

标定板为双面凹凸、标定点非共面的标定板，因此z_w≠0。设标定点有N个，在像素坐标系中为(u_di,vdi)，在世界坐标系中为(x_wi,y_wi,z_wi)，i＝1,2,3,4,5，…，N。设s_x＝1，(u₀,v₀)表示像素坐标系的中心点坐标，由式(3)、式(4)可得：

令a₁＝s_xr₁₁/t_y，a₂＝s_xr₁₂/t_y，a₃＝s_xr₁₃/t_y，a₄＝s_xt_x/t_y，a₅＝r₂₁/t_y，a₆＝r₂₂/t_y，a₇＝r₂₃/t_y，由于旋转矩阵R为正交矩阵，可得：

同理，可得：

任选标定点中一点，计算公式为：

其中，若X_d与y、Y_d与y符号相同，则t_y符号为正，否则为负。

根据旋转矩阵R的正交性，计算r₃₁、r₃₂、r₃₃公式如下：

对于每一个特征点，不考虑畸变有：

令畸变系数k＝0，(u₀,v₀)为计算机屏幕的中心点坐标，则由式(1)和式(11)可得：

其中，

y_i＝r₂₁x_wi+r₂₂y_wi+r₂₃z_wi+t_y (13)

w_i＝r₃₁x_wi+r₃₂y_wi+r₃₃z_wi+t_z (14)

通过N组成对特征点，可以求得有效焦距f和t_z的初始值。

取畸变系数k的初始值为0，(u₀,v₀)的初始值为图像的中心点坐标，求解下列方程组,进而优化搜索可得f，k，t_z和(u₀,v₀)的精确解。

由此，标定出相机的内部参数：有效焦距f、像素坐标系原点(u₀,v₀)，外部参数：旋转矩阵R、平移矩阵T和畸变参数：k。

(2)消除图像畸变，使相机输出无畸变的图像实现图像的校正；从物理意义上是CCD相机对准到同一个拍摄平面上，从而输出校正图像。

(3)移除标定板，拍摄完成后对CCD相机视场进行三维重构，对两个相机中拍摄到的图像进行视差计算，从而获得各点位置处的世界坐标，计算出各个方向上的速度，从而获得测量平面的三维速度场。

PIV仪与叶片风速仪采用涡流转速进行对比，叶片测速通过霍尔传感器直接在转速表上显示叶片转速N_P，而PIV仪拍摄所得的涡流转速N_T需要对所测流场进行相关计算，具体如下：

其中，

为速度矢量到涡流中心的距离，U_(x，y，i)是拍摄的第i幅图像的瞬时速度场在(x,y)处的速度矢量，上式为第i幅的涡流转速，平均转速如下：

至此可以得出PIV仪拍摄被测量平面所得的平均涡流转速。

本发明的测试原理是，空气通过离心式风机进入稳压箱，经稳压后的空气进入流量计，随后依次进入混合箱、稳压筒。在稳压筒内进行稳压之后，沿着进气管进入扫气箱，气流经扫气口进入气缸内，最后气流沿着排气门及排气管排出。加长缸套前段的活塞由直线电机控制，排气门的位置由加长缸套后端的齿轮齿条移动装置进行调整。

通过流量计可以获取缸内的流量；通过叶片风速仪组件测得缸内涡流强度；通过3D-PIV仪测得缸内相应位置平面的三维流场，结果可以进一步处理为涡流强度、全局速度等参数。

与目前测试方法或技术对比：对于二冲程柴油机的进气方式，目前应用的扫气试验台均是采用均匀进气的进气方式，即不考虑真实扫气箱对扫气流动的影响，并且仅适用于单缸的单侧进气方式。而在实际的多缸二冲程柴油机的真实扫气过程中，经常存在双侧以及三侧进气，并且均匀进气情况下的气流涡心几乎不存在偏移现象。而对于多缸机，仅考虑单侧进气会加大涡心的偏移现象，这都与真实发动机的气流特征不相符。本发明根据真实(柴油机)进气方式，在稳压筒内进行稳压之后，气流可以沿着三路的进气管进入扫气箱，其中两侧的进气管设有两个气阀，通过气阀不同的开启与关闭组合来控制柴油机的进气形式，从而实现单缸机的单侧进气、多缸机的双侧和三侧进气。

当采用叶片风速仪系统进行测量时，模拟缸套采用两段式结构，包括前段缸套和后段缸套，叶片风速仪系统通过一系列固定件置于缸套的内部并保证套筒内径与气缸内径相同，实现了前后段缸套间的光滑过渡，最大限度的减少流动阻力，避免了叶片风速仪衬套尖锐突出部分对缸内流场的影响，叶片风速仪组件包括：叶片、叶片轴承、叶片支撑杆、十字形支架，叶片风速仪套筒。该装置的原理为：将叶片风速仪套筒固定在前段缸套和后段缸套之间，十字形支架顶在套筒内壁上，并通过螺纹紧固，叶片与叶片支撑杆通过轴承互相连接，支撑杆可套在十字形支架内，通过前后移动调整叶片位置，确定叶片位置之后通过螺纹紧固，启动风机后叶片开始转动，通过风速仪信号采集系统得到各个截面位置处的叶片转速。使用叶片风速仪系统测试可以实现工程应用需求的缸内涡流快速测试。

本发明的特点以及产生的有益效果是：(1)测试系统模拟真实度较高，方便进行多种工况的实验测试；(2)采用的叶片风速仪测试方法准确便捷，可以快速实现缸内各截面处的涡流测试，其中：叶片风速仪组件实现前后段缸套的光滑过渡，避免了对流场的干扰作用，四叶片结构能够更好地捕捉缸内流动；(3)利用PIV仪系统测试可获得各个截面处的流场，同时可以测得全局速度与涡流强度；(4)本装置的叶片风速仪组件可以与PIV仪完美切换，测量流场准确度高，控制条件丰富，能对低速二冲程船用柴油机扫气系统的主要参数进行系统的评估。

附图说明

图1是本发明部件组成系统结构图。

图2是真实柴油机的进气策略示意图，图中箭头系指气流方向。

图3是扫气箱中扫气口与加长气缸段结构的局部放大示意图。

图4是叶片风速仪组件流场测量原理的示意图。

图5a与图5b是叶片风速仪的装置结构示意图。

图6是运用3D-PIV仪进行流场测量组件布置的示意图。

图7是运用3D-PIV仪标定时CCD相机布置示意图。

图8a与图8b是CCD相机校正前后的图像照片。

图9是实施例5所测得的三维速度场云图照片。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明装置原理与技术方法进行详细的说明，使本发明特征能易于被本领域技术人员理解，从而对其保护范围作出清楚明确的界定。

低速二冲程船用柴油机气缸稳态流动测试装置(如图1、图3)，其结构特征在于：风机1与稳压箱2的输入管连接，稳压箱的输出管依次与流量计3、混合箱4、稳压筒5连接。流量计、混合箱、以及稳压筒之间均通过软管连接。稳压筒设有三个通路，气流可沿三个通路进入扫气箱6，扫气箱中的扫气口7与加长缸套8连接。直线电机9与活塞10轴连接，活塞位于加长缸套内，加长缸套通过缸套支架13进行固定。排气管11与加长缸套通过密封圈密封连接，排气管入口设有排气门12，带有排气门的排气管段位于加长缸套内，排气管由支撑台架13支撑固定。在支撑台架上部设有齿轮14，手柄15与齿轮同轴连接固定，排气管的上方设有齿条16，齿轮与齿条组成传动副，转动手柄齿轮带动齿条水平移动，满足排气门位于在加长缸套内不同位置的要求。

为了模拟柴油机多缸进气工况(如图2)，稳压筒设有三个管路与扫气箱相通，气流可沿三个管路进入扫气箱。其中：中间一路与扫气箱直通；侧面的两个管路分别装有阀门17-1、17-2，通过阀门的开启与关闭可实现发动机单缸机的单侧进气、多缸机的双侧进气、以及三侧进气。

加长缸套分为两段，叶片风速仪组件18设置在两段加长缸套之间，通过更换前段加长缸套8-1和后段加长缸套8-2的方式，调节叶片风速仪组件的位置，进而实现行程缸径比的调整。述叶片风速仪组件的套筒19内径与加长缸套的内径尺寸相同。

十字支架21顶在套筒内壁上，并用螺纹紧固，四个十字交叉叶片20与叶片支撑杆22通过轴承23连接，叶片支撑杆套在十字支架内，叶片支撑杆可前后移动，以调整叶片位置。叶片整体长度为120mm，厚度为2mm，宽度为10mm。

低速二冲程船用柴油机气缸稳态流动测试装置的测试方法，激光器及片光源24入射至加长缸套的截面，两台CCD相机25置于加长缸套的两侧，两台相机镜头夹角在60°至90°之间。三维速度测试方法的具体步骤如下：

(1)将激光器片光源射出的片光固定在拍摄平面位置，将标定板放置在缸套内标定平面与拍摄平面重合的位置，将标定板放置在被标定平面与拍摄平面重合的位置。获取两部CCD的测取的参数，对CCD相机进行内外参数及畸变系数的标定。

其中，旋转矩阵R＝[r₁₁，r₁₂，r₁₃；r₂₁，r₂₂，r₂₃；r₃₁，r₃₂，r₃₃]，平移矩阵T＝[t_x；t_y；t_z]，点的相机坐标为x、y、z，世界坐标为x_w、y_w、z_w，图像坐标为X_u、Y_u，由于相机畸变，实际成像的点在图像中坐标为X_d、Y_d，根据世界坐标系和相机坐标系的变换可得：

则由RAC约束(径向约束，即三角相似)可得：

将式(2)移项、同除以t_y整理可得：

其中，列向量的参数为未知量。

畸变的图像坐标X_d、Y_d到像素坐标u_d、v_d的变换为：

其中，s_x为图像尺度因子，d′_x＝d_xN_cx/N_fx，d_x和d_y为摄像机在X和Y方向上的像素间距，N_cx为摄像机在X方向上的像素数，N_fx为计算机在X方向采集到的行像素数。

标定板为双面凹凸、标定点非共面的标定板，因此z_w≠0。设标定点有N个，在像素坐标系中为u_di、vdi，在世界坐标系中为x_wi、y_wi、z_wi，i＝1,2,3,4,5，…N。设s_x＝1，由式(3)、式(4)可得：

令a₁＝s_xr₁₁/t_y，a₂＝s_xr₁₂/t_y，a₃＝s_xr₁₃/t_y，a₄＝s_xt_x/t_y，a₅＝r₂₁/t_y，a₆＝r₂₂/t_y，a₇＝r₂₃/t_y，由于旋转矩阵R为正交矩阵，可得：

同理，可得：

任选标定点中一点，计算公式为：

其中，若X_d与y、Y_d与y符号相同，则t_y符号为正，否则为负。

根据旋转矩阵R的正交性，计算r₃₁、r₃₂、r₃₃公式如下：

对于每一个特征点，不考虑畸变有：

令畸变系数k＝0，则由式(1)和式(11)可得：

其中，

y_i＝r₂₁x_wi+r₂₂y_wi+r₂₃z_wi+t_y (13)

w_i＝r₃₁x_wi+r₃₂y_wi+r₃₃z_wi+t_z (14)

通过N组成对特征点，可以求得有效焦距f和t_z的初始值。

取畸变系数k的初始值为0，求解下列方程组,进而优化搜索可得f、k、t_z和u₀、v₀的精确解。

由此，标定出相机的内部参数有：有效焦距f、像素坐标系原点u₀、v₀，外部参数有：旋转矩阵R、平移矩阵T和畸变参数k。

(2)消除图像畸变，使相机输出无畸变的图像实现图像的校正；从物理意义上是CCD相机对准到同一个拍摄平面上，从而输出校正图像。

(3)移除标定板，拍摄完成后对CCD相机视场进行三维重构，对两个相机中拍摄到的图像进行视差计算，从而获得各点位置处的世界坐标，计算出各个方向上的速度，从而获得测量平面的三维速度场。

PIV仪与叶片风速仪采用涡流转速进行对比，叶片测速通过霍尔传感器直接在转速表上显示叶片转速N_P，而PIV仪拍摄所得的涡流转速N_T需要对所测流场进行相关计算，具体如下：

其中，

为速度矢量到涡流中心的距离，U_(x，y，i)是拍摄的第i幅图像的瞬时速度场在(x,y)处的速度矢量，上式为第i幅的涡流转速，平均转速如下：

至此可以得出PIV仪拍摄被测量平面所得的平均涡流转速。

通过PIV仪所得涡流转速N_T与叶片风速仪所得涡流转速N_P进行对比，两者在结果上具有良好的互换性。

实施例1：

单缸机扫气流动试验：关闭扫气箱两侧的阀门，利用中间一路进行单侧进气的测试，其中缸径为170mm，行程为850mm，行程由叶片风速仪组件位置的调节来确定。安装好叶片风速仪组件，将叶片固定在行程缸径比z/D＝1.0，保持扫气口开度为100％，排气阀开度为全开状态。开启信号采集系统，设置扫气压差为2000Pa，启动风机，待气流稳定后读取信号采集系统获得的涡流转速，随后控制扫气压差2000Pa不变，通过更换前后段缸套的方式，以调节叶片风速仪组件的位置，进而实现行程缸径比的调整，达到改变测量位置的目的。依次测量z/D＝2.0，3.0.......，从而得到各个截面处的涡流转速，整个试验过程耗时较短，测量单个截面仅需要两分钟。测试得到的数据如下：

通过测得的数据并结合上述实施例所测得的涡流转速分析可得：相比于双叶片，十字交错的四叶片结构测量结果更加接近实例4所测得的涡流转速，可以更好地捕捉缸内流动。

实施例2：

多缸机扫气流动试验。如图2所示，与单缸机的进气方式不同，多缸机的进气形式往往为双侧进气及三侧进气。多缸机中的第1、第4缸为双侧进气，本装置通过开启左阀门17-1、关闭右侧阀门17-2，以及反过来开启右侧阀门、关闭左侧阀门，即可实现与第1、第4缸相同的进气方式。多缸机中的第2、第3缸为三侧进气，同时打开左右两个阀门即可实现，该部分的测试方法与上述单缸机相同。

实施例3：

空气经风机进入稳压箱，风机与稳压箱用硬弯管及法兰进行连接。稳压后空气通过管路中的流量计，进入混合箱，箱体外部通入(PIV仪使用)示踪粒子，空气与示踪粒子的充分混合后进入稳压筒。气流经扫气口进入加长缸套经过排气门以及排气管排出。直线电机通过控制活塞进行移动。

采用3D-PIV仪系统进行测量时，先将前段加长缸套和后段加长缸套更换为一段完整的缸套，然后进行PIV仪系统的标定，参照图6、图7。调整CCD相机或镜头位置，满足拍摄平面区域在两相机成像区的交叉区域内；放置前后均为凹凸面的标定板，其中标定板标定面与拍摄平面重合；在白光照射下，通过标定板及相应的标定算法得出标定平面上实际坐标点的坐标与其在相机图像坐标间的映射关系，完成对PIV的标定。

实施例4：

PIV仪测试实验，仍然是单缸机扫气流动试验，关闭扫气箱两个阀门。其中缸径为170mm，行程为850mm，布置好CCD相机与激光器。将激光器打出的片光固定在行程缸径比z/D＝1.0，保持扫气口开度为100％，排气阀开度为全开状态。CCD相机的标定过程如同前述实施例1。标定完成后设置CCD相机拍摄模式为双帧双曝光模式，选择拍摄张数及激光强度，开启风机，控制扫气压差为2000Pa，打开示踪粒子的开关，待气流稳定后开始进行拍摄，拍摄完成后对粒子图像进行处理，即可得到该截面位置的三维速度场。随后控制扫气压差2000Pa不变，改变行程缸径比，依次测量z/D＝2.0，3.0.......，从而得到各个截面处的速度场分布，采用该方法可获得缸内气流各个位置的速度分布，并可计算出全局速度及涡流强度，与叶片风速仪装置有良好的互换性。PIV仪计算所得的涡流转速如下：

上述所介绍的测试装置能在不同变量下对气缸内流场进行测量，包括不同压差、扫气口开度、扫气口角度、排气门位置、行程缸径比等。

实施例5：

PIV仪测试三维速度，依旧是单缸机扫气流动试验，关闭扫气箱两个阀门，布置好CCD相机与激光器，两台相机镜头夹角为90度。安装加长缸套8-3，其中缸径为170mm，行程为850mm。

第一步，将激光器打出的片光固定在行程缸径比z/D＝2.0，将标定板放置在缸套内标定平面与拍摄平面重合的位置。通过CCD两相机拍摄的标定平面的图像，完成对相机内外参数和畸变参数的标定，相机标定结果如下：

第二步，消除图像畸变，使相机输出无畸变的图像实现图像的校正。结果如图8所示，图8a为相机校正前的图像，图8b为相机校正后的图像。

第三步，移除标定板，保持扫气口开度为100％，排气阀开度为全开状态。设置CCD相机拍摄模式为双帧双曝光模式，选择拍摄张数及激光强度，开启风机，控制扫气压差为2000Pa，打开示踪粒子的开关，待气流稳定后开始进行拍摄，拍摄完成后对其进行三维重构，对两个相机中拍摄到的图像进行视差计算，从而获得各点位置处的世界坐标，计算出各个方向上的速度，从而获得测量平面的三维速度场，结果如图9所示。

Claims (5)

1.低速二冲程船用柴油机气缸稳态流动测试装置，具有：风机、稳压箱、流量计、混合箱、稳压筒、扫气箱、扫气口、加长缸套、直线电机、活塞、缸套支架、排气管、排气门、支撑台架、齿轮、手柄、齿条、阀门、发动机单缸机、多缸机、叶片风速仪组件、十字支架、叶片、叶片支撑杆、轴承、激光器片光源、标定板、CCD相机、变频器、示踪粒子、PIV仪、以及霍尔传感器，其特征在于：风机(1)与稳压箱(2)输入管连接，稳压箱的输出管依次与流量计(3)、混合箱(4)、稳压筒(5)连接，流量计、混合箱、以及稳压筒之间均通过软管连接，稳压筒设有三个通路，气流可沿三个通路进入扫气箱(6)，扫气箱中的扫气口(7)与加长缸套(8)连接，直线电机(9)与活塞(10)轴连接，活塞位于加长缸套内，加长缸套通过缸套支架(13)进行固定，排气管(11)与加长缸套通过密封圈密封连接，排气管入口设有排气门(12)，带有排气门的排气管段位于加长缸套内，排气管由支撑台架(13)支撑固定，在支撑台架上部设有齿轮(14)，手柄(15)与齿轮同轴连接固定，排气管的上方设有齿条(16)，齿轮与齿条组成传动副，转动手柄齿轮带动齿条水平移动，满足排气门位于在加长缸套内不同位置的要求。

2.按照权利要求1所述的低速二冲程船用柴油机气缸稳态流动测试装置，其特征在于：所述稳压筒设有三个管路与扫气箱相通，气流可沿三个管路进入扫气箱，其中：中间一路与扫气箱直通；侧面的两个管路分别装有阀门(17-1、17-2)，通过阀门的开启与关闭可实现发动机单缸机的单侧进气、多缸机的双侧进气、以及三侧进气。

3.按照权利要求1所述的低速二冲程船用柴油机气缸稳态流动测试装置，其特征在于：所述加长缸套分为两段，叶片风速仪组件(18)设置在两段加长缸套之间，通过更换前段加长缸套(8-1)和后段加长缸套(8-2)的方式，调节叶片风速仪组件的位置，进而实现行程缸径比的调整。

4.按照权利要求1或3所述的低速二冲程船用柴油机气缸稳态流动测试装置，其特征在于：所述叶片风速仪组件的套筒(19)内径与加长缸套的内径尺寸相同。

5.一种按照权利要求1所述低速二冲程船用柴油机气缸稳态流动测试装置的测试方法，其特征在于：激光器片光源(24)入射至所述加长缸套的截面，两台CCD相机(25)置于加长缸套的两侧，两台相机镜头夹角在60°至90°之间，三维速度测试方法的具体步骤如下：

(1)将激光器片光源射出的片光固定在拍摄平面位置，将标定板放置在缸套内标定平面与拍摄平面重合的位置，获取两部CCD相机的测取的参数，对CCD相机进行内外参数及畸变系数的标定，

其中，旋转矩阵R＝[r₁₁，r₁₂，r₁₃；r₂₁，r₂₂，r₂₃；r₃₁，r₃₂，r₃₃]，平移矩阵T＝[t_x；t_y；t_z]，点的CCD相机坐标为x、y、z世界坐标为xw、yw、zw，图像坐标为Xu、Yu，实际成像的点在图像中坐标为Xd、Yd，根据世界坐标系和相机坐标系的变换可得：

则由RAC约束可得：

将式(2)移项、同除以ty整理可得：

其中，列向量的参数为未知量，

畸变的图像坐标Xd,Yd到像素坐标ud,vd的变换为：

其中，s_x为图像尺度因子，d′_x＝d_xN_cx/N_fx，d_x和d_y为摄像机在X和Y方向上的像素间距，N_cx为摄像机在X方向上的像素数，N_fx为计算机在X方向采集到的行像素数，u₀、v₀表示光学中心，也是像素坐标系原点，

标定板为双面凹凸、标定点非共面的标定板，因此z_w≠0，设标定点有N个，在像素坐标系中为u_di、vdi，在世界坐标系中为x_wi、y_wi、z_wi，i＝1,2,3,4,5，…N，设s_x＝1，由式(3)、式(4)可得：

令a₁＝s_xr₁₁/t_y，a₂＝s_xr₁₂/t_y，a₃＝s_xr₁₃/t_y，a₄＝s_xt_x/t_y，a₅＝r₂₁/t_y，a₆＝r₂₂/t_y，a₇＝r₂₃/t_y，由于旋转矩阵R为正交矩阵，可得：

同理，可得：

任选标定点中一点，计算公式为：

其中，若X_d与y、Y_d与y符号相同，则t_y符号为正，否则为负，

根据旋转矩阵R的正交性，计算r₃₁、r₃₂、r₃₃公式如下：

对于每一个特征点，不考虑畸变有：

令畸变系数k＝0，则由式(1)和式(11)可得：

其中，

y_i＝r₂₁x_wi+r₂₂y_wi+r₂₃z_wi+t_y (13)

w_i＝r₃₁x_wi+r₃₂y_wi+r₃₃z_wi+t_z (14)

通过N组成对特征点，可以求得有效焦距f和t_z的初始值，

取畸变系数k的初始值为0，求解下列方程组，进而优化搜索可得f、k、t_z和u₀、v₀的精确解，

由此，标定出CCD相机的内部参数有：有效焦距f、像素坐标系原点u₀、v₀，外部参数有：旋转矩阵R、平移矩阵T和畸变参数k，

(2)消除图像畸变，使CCD相机输出无畸变的图像实现图像的校正；物理意义上将CCD相机对准到同一个拍摄平面上，从而输出校正图像，

(3)移除标定板，拍摄完成后对CCD相机视场进行三维重构，对两个CCD相机中拍摄到的图像进行视差计算，从而获得各点位置处的世界坐标，计算出各个方向上的速度，从而获得测量平面的三维速度场，

PIV仪与叶片风速仪采用涡流转速进行对比，叶片测速通过霍尔传感器直接在转速表上显示叶片转速N_P，而PIV仪拍摄所得的涡流转速N_T需要对所测流场进行相关计算，具体如下：

其中，

为速度矢量到涡流中心的距离，U_(x，y，i)是拍摄的第i幅图像的瞬时速度场在(x,y)处的速度矢量，上式为第i幅的涡流转速，平均转速如下：

至此可以得出PIV仪拍摄被测量平面所得的平均涡流转速。

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