CN111521370B - 适用于脉冲风洞旋转模型的特定相位流场测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于脉冲风洞旋转模型的特定相位流场测试装置及方法，所述装置包括：一光纤传输通路，包括相对设置在脉冲风洞透光性试验舱两侧外部的光纤发射探头和光纤接收探头；一光纤放大器，分别与光纤发射探头和光纤接收探头相连接；一同步控制器，分别与光纤放大器、脉冲风洞和测试系统电路连接，用于在接收到光纤放大器的控制信号后按设定工作时序先后向脉冲风洞和测试系统发送触发信号；一计算机，分别与同步控制器和测试系统电路连接，用于控制同步控制器的工作时序，以及存储所述测试系统生成的纳米粒子图像。本发明不占用试验舱内部空间，适用于风洞尺寸较小的应用场合，实现了对脉冲风洞中旋转模型特定相位的非接触精确测试。

Description

适用于脉冲风洞旋转模型的特定相位流场测试装置及方法
技术领域
本发明涉及脉冲风洞流场测试领域，特别地，涉及一种适用于脉冲风洞旋转模型的特定相位流场测试装置及方法。
背景技术
一部分空空导弹武器和飞行器在运动过程中是绕轴线旋转的，风洞试验是飞行器气动特性测量的重要手段，在风洞试验时，这类模型也必须进行旋转，以测量转动状态下的受力特性和流场结构。对于非旋成体，其转动过程中，各个位置的流场结构是不相同的，那么采用粒子图像速度场技术(Particle Image Velocimetry，PIV)或者流动显示技术等研究某个空间截面的流场信息时，必须确定当前时刻模型的相位。也就是说，需要在模型转动到特定的位置时，触发测试系统采集数据，这个过程称为锁相。同时，脉冲风洞作为一种模拟飞行器高超声速绕流的装置，其运行时间极短，如高超声速激波风洞，运行时间往往在毫秒量级，那么如何在脉冲风洞极短的运行期间，模型恰好转动到关注的相位并精确完成流场测试，成为一个难题，。
在空气动力学和流体力学相关实验测试中，转速测量和锁相是非常重要的技术，如纹影、粒子图像速度场技术、滤波瑞利散射技术等，如果要捕捉旋转模型如叶片、导弹等的某一特征截面的流动，则必须锁相。现有锁相装置基于电机和控制系统，价格昂贵，且结构复杂，在脉冲风洞试验舱安装空间较小时应用困难；另外，由于脉冲风洞的运行时间极短，现有锁相装置无法满足脉冲风洞的测试需求。
发明内容
本发明提供了一方面提供了一种适用于脉冲风洞旋转模型的特定相位流场测试装置，以解决现有锁相装置因结构复杂、安装困难、无法满足脉冲风洞锁相测试需求的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种适用于脉冲风洞旋转模型的特定相位流场测试装置，包括：
一光纤传输通路，包括相对设置在脉冲风洞透光性试验舱两侧外部的光纤发射探头和光纤接收探头，所述光纤发射探头用于发射光信号；所述光纤接收探头用于接收所述光纤发射探头所发射的光信号；
一光纤放大器，分别与所述光纤发射探头和光纤接收探头相连接，用于光纤探头信号的输出和接收，并在所述光纤发射探头和光纤接收探头的光路穿过所述旋转模型上径向贯穿设置的通光孔而导通时输出控制信号；
一同步控制器，分别与所述光纤放大器、脉冲风洞和测试系统电路连接，用于在接收到光纤放大器的控制信号后按设定工作时序先后向所述脉冲风洞和测试系统发送触发信号，控制脉冲风洞运行建立风洞流场，以及在脉冲风洞运行建立风洞流场后，控制测试系统实现待测相位的流场参数捕捉；
一计算机，分别与同步控制器和测试系统电路连接，用于控制所述同步控制器的工作时序，以及存储所述测试系统生成的纳米粒子图像。
进一步地，所述脉冲风洞透光性试验舱的两侧为透光玻璃。
进一步地，所述通光孔的直径为1mm-3mm。
进一步地，所述旋转模型上经过所述通光孔轴线的纵截面与所述旋转模型上经过所述待测相位的纵截面之间具有夹角
Figure BDA0002487268750000021
使所述脉冲风洞试验舱流场建立后旋转模型恰好位于待测相位。
进一步地，所述夹角
Figure BDA0002487268750000023
具体为：
Figure BDA0002487268750000031
其中，ω为旋转模型的转速，Δt1为测试系统延时，所述测试系统延时Δt1大于脉冲风洞试验舱流场建立延时Δt2，且小于所述脉冲风洞试验舱流场建立延时Δt2与脉冲风洞运行时间的和。
进一步地，所述脉冲风洞的运行时间为5～30ms。
进一步地，所述的测试系统包括：
激光器，用于根据所述同步控制器生成的控制信号发出照亮试验舱内的脉冲流场的脉冲激光；
成像装置，用于根据所述同步控制器生成的控制信号对所述试验舱内的脉冲流场进行成像，以获得脉冲流场的纳米粒子图像。
进一步地，所述的成像装置为CCD相机，所述CCD相机通过数据传输接口与所述计算机相连接。
根据本发明的另一方面，还提供了一种适用于脉冲风洞旋转模型的特定相位流场测试方法，基于所述的特定相位流场测试装置，其包括上述
通过电机驱动旋转模型按设定转速ω旋转；
当所述光纤发射探头发射的光信号穿过所述旋转模型上设置的所述通光孔，并由所述光纤接收探头接收后，所述光纤放大器向所述同步控制器输出控制信号；
所述同步控制器响应于所述控制信号向所述脉冲风洞发送触发信号，同时在延时Δt1后触发所述测试系统实现待测相位的流场参数捕捉，其中，Δt1大于脉冲风洞试验舱流场建立延时Δt2，且小于所述脉冲风洞试验舱流场建立延时Δt2与脉冲风洞运行时间的和。
进一步地，所述控制信号为5V高电平信号。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过在脉冲风洞透光性试验舱两侧外部设置具有光纤发射探头和光纤接收探头的光纤传输通路、连接所述光纤发射探头和光纤接收探头的光纤放大器、连接所述光纤放大器并根据计算机设定的时序依次控制脉冲风洞和测试系统的所述同步控制器，结合时序与同步控制，实现了对脉冲风洞中旋转模型特定相位的非接触式精确测试，精确度高误差小，同时，由于测试装置均位于脉冲风洞外部，不占用试验舱内部空间、系统布置简便无干扰，适用于风洞尺寸较小和模型较小的应用场合，整个装置操作简单、易于维护。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的旋转模型和特定相位流场测试装置示意图；
图2是本发明优选实施例的旋转模型通光孔相位确定示意图。
图3是本发明优选实施例的系统运行时序示意图。
图中：1、光纤发射探头；2、光纤放大器；3、光纤接收探头；4、同步控制器；5、成像装置；6、激光器；7、计算机；8、通光孔；9、旋转模型。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参照图1，本发明的优选实施例提供了一种适用于脉冲风洞旋转模型的特定相位流场测试装置，包括：
一光纤传输通路，包括相对设置在脉冲风洞透光性试验舱两侧外部的光纤发射探头1和光纤接收探头3，所述光纤发射探头1用于发射光信号；所述光纤接收探头3用于接收所述光纤发射探头1所发射的光信号；
一光纤放大器2，分别与所述光纤发射探头1和光纤接收探头3相连接，用于光纤探头信号的输出和接收，并在所述光纤发射探头1和光纤接收探头3的光路穿过所述旋转模型9上径向贯穿设置的通光孔8而导通时输出控制信号；
一同步控制器4，分别与所述光纤放大器2、脉冲风洞和测试系统电路连接，用于在接收到光纤放大器2的控制信号后按设定工作时序先后向所述脉冲风洞和测试系统发送触发信号，控制脉冲风洞运行建立风洞流场，以及在脉冲风洞运行建立风洞流场后，控制测试系统实现待测相位的流场参数捕捉；
一计算机7，分别与同步控制器4和测试系统电路连接，用于控制所述同步控制器4的工作时序，以及存储所述测试系统生成的纳米粒子图像。
本实施例的特定相位流场测试装置通过在脉冲风洞透光性试验舱两侧外部设置具有光纤发射探头1和光纤接收探头3的光纤传输通路、连接所述光纤发射探头1和光纤接收探头3的光纤放大器2、连接所述光纤放大器2并根据计算机7设定的时序依次控制脉冲风洞和测试系统的所述同步控制器4，本实施例一方面由于测试装置均位于脉冲风洞外部，不占用试验舱内部空间、系统布置简便，光线可以直接通过脉冲风洞透光性试验舱两侧射入和射出，对原有试验舱的改动小，且无须担心电磁等干扰，适用于风洞尺寸较小和模型较小的应用场，另一方面，本实施例结合时序与同步控制，通过先控制脉冲风洞运行建立风洞流场，同时在脉冲风洞运行建立风洞流场后，再控制测试系统实现待测相位的流场参数捕捉，确保测试系统运行时，风洞流场已经建立，实现了对脉冲风洞中旋转模型9特定相位的非接触式精确测试，精确度高误差小。
具体而言，在一可行的实施例中，所述脉冲风洞透光性试验舱的两侧为透光玻璃，即只需将原有的脉冲风洞试验舱的两侧的材料替换为透光玻璃即可保证光纤传输通路中的光信号顺利射入射出脉冲风洞试验舱。
具体而言，在一可行的实施例中，所述通光孔8的直径为1mm-3mm，既能保证光纤传输通路中的光信号顺利射入射出，同时对流场影响小，所述通光孔8在旋转模型9上的轴向位置一般设置在对流场影响小的区域，如旋转模型9的背风面或者旋转模型9的支杆上。
具体而言，如图2所示，在一可行的实施例中，所述旋转模型9上经过所述通光孔8轴线的纵截面B-B与所述旋转模型9上经过所述待测相位的纵截面A-A之间具有夹角
Figure BDA0002487268750000062
使所述脉冲风洞试验舱流场建立后旋转模型9恰好位于待测相位。
本实施例中，考虑到脉冲风洞从启动到建立流场之间存在时间差，而测试系统在对待测相位的流场参数捕捉时必须保证试验舱内已经建立好流场，因此，本实施例中，所述通光孔8的轴线与所述待测相位并未重合，而是相差有夹角
Figure BDA0002487268750000063
该夹角
Figure BDA0002487268750000064
能够在光纤传输通路光路导通并通过同步控制器4启动脉冲风洞后，旋转模型9会继续转动夹角
Figure BDA0002487268750000065
转动夹角
Figure BDA0002487268750000066
后，试验舱内已经建立好流场，同时，旋转模型9也正好位于待测相位，此时测试系统再对待测相位进行流场参数捕捉，达到对旋转模型9特定相位流场的测试目的，反之，若不设立夹角
Figure BDA0002487268750000068
或夹角
Figure BDA0002487268750000067
设置有误，则可能导致无法对待测相位进行流场参数捕捉，或者，即使试验舱内已经建立好流场，但测试系统当前捕捉的并不是待测相位的流场参数，导致测试失败。
具体而言，在一可行的实施例中，所述夹角
Figure BDA0002487268750000069
具体为：
Figure BDA0002487268750000061
其中，ω为旋转模型9的转速，Δt1为测试系统延时，所述测试系统延时Δt1大于脉冲风洞试验舱流场建立延时Δt2，且小于所述脉冲风洞试验舱流场建立延时Δt2与脉冲风洞运行时间的和，所述脉冲风洞的运行时间为5～30ms。
如图3所示，本实施例中，所述夹角
Figure BDA0002487268750000071
具体由测试系统延时Δt1和所述旋转模型9的转速ω共同确定，其中，所述测试系统延时Δt1大于脉冲风洞试验舱流场建立延时Δt2，其目的是为了测试系统在对待测相位的流场参数捕捉时必须保证试验舱内已经建立好流场，同时，所述测试系统延时Δt1必须小于所述脉冲风洞试验舱流场建立延时Δt2与脉冲风洞运行时间的和，因脉冲风洞作行时间极短，运行时间往往在毫秒量级，那么在脉冲风洞极短的运行期间，旋转模型必须恰好转动到待测相位并精确完成流场测试，因此，所述测试系统延时Δt1后对待测相位进行流场参数捕捉时机必须位于验舱流场建立后，同时确保在脉冲风洞运行期间，如此，才能有效实现对旋转模型9待测相位的流场参数的精确捕捉，确保测试数据的准确性和可靠性，
具体而言，在一可行的实施例中，所述的测试系统包括激光器6和成像装置5，
所述激光器6用于根据所述同步控制器4生成的控制信号发出照亮试验舱内的脉冲流场的脉冲激光；
所述成像装置5用于根据所述同步控制器4生成的控制信号对所述试验舱内的脉冲流场进行成像，以获得脉冲流场的纳米粒子图像，所述的成像装置为CCD相机，所述CCD相机通过数据传输接口与所述计算机7相连接。
本实施例中，所述的测试系统包括激光器6和成像装置5，用于获得脉冲流场的纳米粒子图像，所述激光器6和成像装置5的选型和安装与现有的流场测试装置相同，无需修改，减少整个流场测试装置的改造成本。
本发明的另一可行的实施例还提供了一种适用于脉冲风洞旋转模型的特定相位流场测试方法，基于所述的特定相位流场测试装置，包括步骤：
S1、通过电机驱动旋转模型9按设定转速ω旋转；
S2、当光纤发射探头1发射的光信号穿过所述旋转模型9上设置的通光孔8，并由所述光纤接收探头3接收后，所述光纤放大器2向所述同步控制器4输出5V高电平信号；
S3、所述同步控制器4响应于所述5V高电平信号向所述脉冲风洞发送触发信号，同时在延时Δt1后触发所述测试系统实现待测相位的流场参数捕捉，其中，Δt1大于脉冲风洞试验舱流场建立延时Δt2，且小于所述脉冲风洞试验舱流场建立延时Δt2与脉冲风洞运行时间的和。
本实施例的特定相位流场测试方法利用光纤传输通路，并结合时序与同步控制，通过先控制脉冲风洞运行建立风洞流场，同时在脉冲风洞运行建立风洞流场后，再控制测试系统实现待测相位的流场参数捕捉，确保测试系统运行对待测相位进行流场参数捕捉时，风洞流场已经建立，同时，考虑到脉冲风洞运行时间短的特点，所述测试系统延时Δt1后对待测相位进行流场参数捕捉时机必须同时位于脉冲风洞运行期间，实现了对脉冲风洞中旋转模型9特定相位的非接触式精确测试，精确度高误差小。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于脉冲风洞旋转模型的特定相位流场测试装置，其特征在于，包括：
一光纤传输通路，包括相对设置在脉冲风洞透光性试验舱两侧外部的光纤发射探头(1)和光纤接收探头(3)，所述光纤发射探头(1)用于发射光信号；所述光纤接收探头(3)用于接收所述光纤发射探头(1)所发射的光信号；
一光纤放大器(2)，分别与所述光纤发射探头(1)和光纤接收探头(3)相连接，用于光纤探头信号的输出和接收，并在所述光纤发射探头(1)和光纤接收探头(3)的光路穿过旋转模型(9)上径向贯穿设置的通光孔(8)而导通时输出控制信号；
一同步控制器(4)，分别与所述光纤放大器(2)、脉冲风洞和测试系统电路连接，用于在接收到光纤放大器(2)的控制信号后按设定工作时序先后向所述脉冲风洞和测试系统发送触发信号，控制脉冲风洞运行建立风洞流场，以及在脉冲风洞运行建立风洞流场后，控制测试系统实现待测相位的流场参数捕捉；
一计算机(7)，分别与同步控制器(4)和测试系统电路连接，用于控制所述同步控制器(4)的工作时序，以及存储所述测试系统生成的纳米粒子图像；
所述旋转模型(9)上经过所述通光孔(8)轴线的纵截面与所述旋转模型(9)上经过所述待测相位的纵截面之间具有夹角
Figure FDA0002956310190000011
使所述脉冲风洞试验舱流场建立后旋转模型(9)恰好位于待测相位；
所述夹角
Figure FDA0002956310190000012
具体为：
Figure FDA0002956310190000013
其中，ω为旋转模型(9)的转速，Δt1为测试系统延时，所述测试系统延时Δt1大于脉冲风洞试验舱流场建立延时Δt2，且小于所述脉冲风洞试验舱流场建立延时Δt2与脉冲风洞运行时间的和。
2.根据权利要求1所述的特定相位流场测试装置，其特征在于，所述脉冲风洞透光性试验舱的两侧为透光玻璃。
3.根据权利要求1所述的特定相位流场测试装置，其特征在于，所述通光孔(8)的直径为1mm-3mm。
4.根据权利要求1所述的特定相位流场测试装置，其特征在于，
所述脉冲风洞的运行时间为5～30ms。
5.根据权利要求1所述的特定相位流场测试装置，其特征在于，所述的测试系统包括：
激光器(6)，用于根据所述同步控制器(4)生成的控制信号发出照亮试验舱内的脉冲流场的脉冲激光；
成像装置(5)，用于根据所述同步控制器(4)生成的控制信号对所述试验舱内的脉冲流场进行成像，以获得脉冲流场的纳米粒子图像。
6.根据权利要求5所述的特定相位流场测试装置，其特征在于，所述的成像装置(5)为CCD相机，所述CCD相机通过数据传输接口与所述计算机7相连接。
7.一种适用于脉冲风洞旋转模型的特定相位流场测试方法，基于如权利要求1至6中任一项所述的特定相位流场测试装置，其特征在于，包括步骤：
通过电机驱动旋转模型(9)按设定转速ω旋转；
当光纤发射探头(1)发射的光信号穿过所述旋转模型(9)上设置的通光孔(8)，并由光纤接收探头(3)接收后，所述光纤放大器(2)向同步控制器(4)输出控制信号；
所述同步控制器(4)响应于所述控制信号向所述脉冲风洞发送触发信号，同时在延时Δt1后触发所述测试系统实现待测相位的流场参数捕捉，其中，Δt1大于脉冲风洞试验舱流场建立延时Δt2，且小于所述脉冲风洞试验舱流场建立延时Δt2与脉冲风洞运行时间的和。
8.根据权利要求7所述的特定相位流场测试方法，其特征在于，所述控制信号为5V高电平信号。
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