CN111537187B - 力与流场多技术联动测量控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及流场测量技术领域，为了解决现有技术中，由于多种流体测量技术中各个测量技术的测量时序混乱导致测量结果不准确的问题，提供了一种力与流场多技术联动测量控制方法，力与流场多技术联动测量控制方法，包括以下步骤：测试系统搭建步骤、设备调控步骤、设备采集时序设定步骤、测量步骤和采集步骤；其中设备采集时序设定步骤为设定测量设备的采集时序。本发明通过拟定测量设备的控制时序保证了各个测量技术的测量有序进行，从而也就保证了测量结果的准确性。

Description

力与流场多技术联动测量控制方法及系统

技术领域

本发明涉及流场测量技术领域，具体为一种力与流场多技术联动测量控制方法及系统。

背景技术

流场指的是运动流体所占有的空间区域，在一个流场中，速度、压强等物理量具有很强的时变特性和三维特性，而且，各物理量之间又存在有一定的相关性，如边界层内壁面的摩擦应力与内壁面附近流体的速度、涡流等相关。因此要实现较为全面地反应流动现象背后的物理本质就需要对表征流场特性的多个物理量进行测量，以获得更多的流场时空变化信息。

现目前，实验流体力学已经有了较为丰富的流场测量技术，并且在很多方面有了显著的发展，如粒子图像测速、热线风速仪、压敏漆、温敏漆等。但是在研究过程中，大多数的测量实验中，还是采用物理量独立测量的方式，如在钝体绕流过程中仅对绕流升阻力进行测量，这种测量方式无法将独立测量结果与流场内复杂丰富的时空变化过程建立起联系；而目前多种流体测量技术在共同使用过程中，由于各个测量技术的测量时序混乱、控制过程繁多复杂的问题，导致现在多种流体测量技术存在操作复杂，测量结果不准确的问题。

发明内容

本发明的目的之一在于意在提供一种力与流场多技术联动测量控制方法，以解决现有技术中，由于多种流体测量技术中各个测量技术的测量时序混乱导致测量结果不准确的问题。

本发明提供基础方案一是：力与流场多技术联动测量控制方法，包括以下步骤：

测试系统搭建步骤：将测试模型和测量设备安装在测试区内，将各测量设备安装在测试区中不同位置；

设备调控步骤：对测量设备进行校准，并设定采集参数；

设备采集时序设定步骤：设定测量设备的采集时序；

测量步骤：在测试区内空气流动稳定后，控制测量设备按照设定的采集时序进行测量；

采集步骤：采集测量设备实时测量得到的测量数据。

基础方案一的工作原理及有益效果是：与现有的多种流体测量技术相比，本方案中，在控制测量设备进行测量时，根据拟定的各个测量设备的采集时序启动相应的测量设备，各个测量设备只需要根据确定出的控制时序对设定的相应参数进行采集即可，控制操作简单，保证了各个测量技术的测量有序进行，从而也就保证了测量结果的准确性。

优选方案一：作为基础方案一的优选，测量步骤中，测量设备包括压力传感器，压力传感器沿测试模型的周向布置。有益效果：本方案中，通过在测试模型周向安装压力传感器采集测试模型的压力脉动，保证测量数据的全面性。

优选方案二：作为基础方案一的优选，测量步骤中，测量设备包括皮托管，在皮托管测量的参数稳定后，其他测量设备根据确定的采集时序进行测量。有益效果：本方案中通过设置皮托管对测试区内风速进行测量，在皮托管测量到的参数稳定时，则表明此时测试区运行稳定，其他测量设备再进行测量，保证测量到的测量数据的准确性。

优选方案三：作为优选方案二的优选，测量步骤中，测量设备还包括有五孔探针，在五孔探针测量得到的气流偏转角符合预设的测试要求以及皮托管测量的参数稳定后，其他测量设备根据确定的采集时序进行测量。有益效果：考虑到测试区中不同偏转角的气流会对测试模型的受力情况造成一定影响，因此本方案中还设置有五孔探针对气流的偏转角进行测量，在测量得到的偏转角符合预设的测试要求后，其余的测量设备才根据确定的采集时序进行测量，进一步保证测量得到的测量数据的准确性。

优选方案四：作为优选方案三的优选，测试系统搭建步骤中，测量设备通过移测机构安装在风洞的测试区中，在测量步骤中，在完成一次测量数据的采集后，通过移测机构移动测量设备位置后继续进行测量。有益效果：本方案中，通过移测机构的设置实现了测量设备在测试区中位置的移动，从而满足多次测量数据采集的要求。

优选方案五：作为优选方案四的优选，测量步骤中，测量设备包括记录烟线在测试区中流动图形的烟线流动显示系统。有益效果：本方案中，通过在测试区中设置烟线流动显示系统可直接观察到烟线在测试区中的流动图形，从而直观的观察到测试区中气流的流动。

优选方案六：作为优选方案五的优选，测量步骤中，在启动烟线流动显示系统前，移动移测机构使得测量设备移出测试区。有益效果：考虑到烟线的使用会污染测量设备，影响测量设备的后续使用，因此本方案中在使用烟线流动显示系统前，先利用移测机构将测量设备移出测试区，从而保证了测量设备的正常使用。

优选方案七：作为基础方案一的优选，设备调控步骤中还对测量设备进行标定操作。有益效果：本方案中通过对测量设备的标定操作进一步保证了测量得到的测量数据的准确性。

优选方案八：作为基础方案一的优选，测试系统搭建步骤中，测试模型的顶部和底部分别通过端板与测试区侧壁连接。有益效果：本方案中测试模型两端端板的设置可以有效减小端部效应对风压分布的影响，从而保证气流在测试模型周围的二维流动。

本发明的目的之二还在于提供一种力与流场多技术联动测量控制系统；本发明提供的基础方案二是：力与流场多技术联动测量控制系统，包括测试模型和测量设备，所述测量设备预定有采集参数，所述测量设备安装拟定的采集时序对测试模型的采集参数进行测量得到测量数据。

基础方案二的有益效果：与现有的多技术联动测量控制系统相比，本方案中，通过预先拟定测量设备进行测量，这样一来，在测量过程中，各测量设备只需要按照设定的启动时间有序启动，进行测量操作即可，控制操作简单。

附图说明

图1为本发明力与流场多技术联动测量控制方法及系统实施例一中控制系统的正面结构示意图；

图2为本发明力与流场多技术联动测量控制方法及系统实施例一中控制系统的俯视结构示意图；

图3为本发明力与流场多技术联动测量控制方法及系统实施例三中空心柱的俯视剖视图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：控制子系统1、风洞壁2、皮托管3、五孔探针4、移测机构5、端板6、螺栓7、PIV相机8、方柱模型9、测力天平10、烟线发生装置11、烟线显示高速相机12、PIV激光机13、激光面131、热线风速仪14、空心柱301、出气孔303、摆动板305。

实施例一

本实施例中的流体为气流为例，对应的测试区以风洞为例，在其他实施例中，流体还可以水流。基本如附图1和图2所示：力与流场多技术联动测量控制系统，包括搭建在风洞内的测试系统，测试系统包括测试模型、测量设备和控制子系统1。本实施例中以测试方柱模型9绕流作用力为例，测试模型为方柱模型9，方柱模型9竖直设置在风洞内，方柱模型9的顶部和底部分别通过端板6安装在风洞壁2上。图1中实线箭头表示来流方向，虚线箭头表示控制信号的流向，点线箭头表示数据的流向。

测量设备包括皮托管3、五孔探针4、移测机构5、PIV相机8、PIV激光机13、压力传感器、测力天平10、烟线流动显示系统和热线风速仪14；其中，皮托管3用于监控风洞的主流风速，设置在风洞的首端；

五孔探针4用于测量气流的偏转角，安装在移测机构5上；

移测机构5，用于安装测量设备，并带动测量设备在风洞测试区内移动；由于风洞测试中采用移测机构5实现测量设备的移动属于常用的技术手段，本实施例中不再进行详细描述；本实施例中的移测机构5采用公开号为CN103712769A、名为“风洞大范围方向场移动测量装置”中国专利中公开的移动测量装置。

PIV相机8和PIV激光机13构成PIV系统，即粒子图像测速系统，用于测量流场的瞬态速度分布；布置PIV系统时，PIV激光机13的激光面131与方柱模型9垂直设置，PIV相机8的焦平面与PIV激光机13的激光面131重合；

压力传感器用于测量扰动到达方柱模型9时的压力脉动，本实施例中，沿方柱模型9周向与展向背布设有若干个压力测点，压力传感器安装在压力测点处；

测力天平10用于测量扰动到达方柱模型9时的绕流作用力，测力天平10与方柱模型9底部连接；

烟线流动显示系统包括烟线发生装置11和烟线显示高速相机12，烟线发生装置11安装在风洞首端，烟线显示高速相机12安装在风洞测试区内，烟线发生装置11用于产生烟线，烟线显示高速相机12用于获取烟线在风洞中的流动图像；

热线风速仪14，安装在移测机构5上，用于测量风洞测试区内单点流速特征及湍流脉动特征；

控制子系统1，与各测量设备通信连接，并控制测量设备工作，包括控制模块、通信模块和存储模块，本实施例中，控制子系统1为与各测量设备通信连接的电脑。

说明：本方案中风洞首端指的是风洞来流方向，如图1中风洞来流方向为从左至右，因此风洞的左端为首端。

基于上述的控制系统，本实施例中还公开了一种力与流场多技术联动测量控制方法，包括以下步骤：

测试系统搭建步骤：将测试模型和测量设备安装在风洞的测试区内，将各测量设备安装在风洞测试区中不同位置；

设备调控步骤：对测量设备进行校准和标定，并设定采集参数，本实施例中设定的采集参数包括采样时间和采样频率；

设备采集时序设定步骤：设定测量设备的采集时序；具体的，设定风洞的来流速度，根据来流速度确定上游扰动向下游传播的传播时间，并根据传播时间和测量设备在风洞内的位置确定扰动到达测量设备的到达时间，根据测量设备的到达时间设定测量设备的采集时序，设定的采集时序存储到控制子系统1内；首先根据风洞的来流速度确定扰动从上游到达下游的传播时间，由于测量设备在风洞中的位置是确定的，因此由确定的传播时间和测量设备在风洞中的位置即可知晓扰动到达各个测量设备的到达时间，从而确定出各个测量设备的控制时序，测量步骤：启动风洞，在风洞运行稳定后，控制测量设备按照设定的采集时序进行测量；

采集步骤：采集测量设备实时测量得到的测量数据。

具体实施过程如下：进行测量操作前，需要先进行测试系统搭建步骤；本实施例中，如图1所示，测试模型采用方柱模型9，测量设备包括皮托管3、五孔探针4、移测机构5、PIV相机8、PIV激光机13、压力传感器、测力天平10、烟线发生装置11、烟线显示高速相机12和热线风速仪14，安装时，将烟线发生装置11、皮托管3以及五孔探针4沿风洞来流方向依次安装在风洞的首端，设定本实施例中风洞中气流方向为从左至右，则烟线发生装置11、皮托管3以及五孔探针4从左到右依次设置在风洞首端，其中五孔探针4通过移测机构5安装在风洞壁2上。

将方柱模型9竖直安装在风洞测试区内，方柱模型9顶部和底部分别通过端板6固定在风洞壁2上，本实施例中，以方柱模型9顶部为例，端板6的纵截面为T型，端板6的一端开设有连接槽，方柱模型9顶部与连接槽连接后，端板6的另一端通过螺栓7与风洞壁2紧固连接；方柱模型9的底部还连接有测力天平10，测力天平10固定在风洞底面。

将热线风速仪14、PIV相机8、PIV激光机13以及烟流显示高速相机从左至右依次位于方柱模型9的右侧并安装在风洞壁2上，其中，热线风速仪14通过移测机构5安装在风洞壁2上，安装PIV相机8与PIV激光机13时，确保PIV激光机13的激光面131与PIV相机8的焦平面重合。

在完成测试模型和测试设备的安装后，对各测量设备进行校准和标定操作，并设定各测量设备的采集参数，本实施例中测量设备以测力天平10为例，采集参数以采样频率和采样时间为例，设定采样频率为f1，采样时间为t1。

设定风洞的来流速度，根据来流速度确定上游扰动向下游传播的时间后，则可以拟定扰动传播到风洞内不同位置的时间，从而根据各测量设备在风洞中的位置拟定各测量设备的采集时序；以压力传感器为例，设定拟定到达压力传感器的时间为T1，将拟定扰动到达各个测量设备的时间输入到控制子系统1中，存储为采集时序，本方案中设定测量设备的先后启动顺序为：皮托管3-五孔探针4-测力天平10、压力传感器-热线风速仪14-PIV系统。

测量时，启动风洞，等到风洞运行稳定后，控制子系统1控制各测量设备按照采集时序依次启动。本实施例中，风洞运行的稳定状态采用皮托管3进行监测，即，在风洞中设置皮托管3，利用皮托管3对风洞内风速进行测量，当测量得到的风速稳定后，则判定风洞运行稳定，此时控制子系统1控制测量设备启动。

根据设定的采集时序，在风洞运行稳定后，皮托管3和五孔探针4先进行测量，由皮托管3对主流风速进行采集测量，由五孔探针4对气流偏转角进行采集测量；存储模块中预存有参数测试要求，即主流风速稳定以及气流偏转角满足要求后，控制器依次控制测力天平10、压力传感器、热线风速仪14和PIV系统启动，分别对方柱模型9在绕流过程中所受气动载荷以及方柱周向和展向压力脉动特征、涡脱和尾流流场特征进行测量得到测量数据，并有控制子系统1进行记录。

在测量过程中，若需要采集风洞中烟流显示图像，则可以通过烟线发生装置11和烟线显示高速相机12的配合记录烟线显示图像。具体的，在进行记录前，控制移测机构5将热线风速仪14移出测试区域，然后控制器控制烟线发生装置11启动，并由烟线显示高速相机12记录烟线显示图像。

实施例二

与实施例一不同之处在于，为了获得多次测量数据，本实施例中，在搭建测试系统时，PIV相机8和PIV激光机13也安装在移测机构5上，这样一来，在完成一次测量数据测量后，根据测试需要，如需要采集不同位置的数据时，则可以通过移测机构5改变PIV相机8、PIV激光机13和热线风速仪14的安装位置，从而实现对不同位置的数据采集。

实施例三

与实施例一和实施例二不同之处在于，本实施例中的测试系统还包括有补偿子系统，补偿子系统包括空心柱301，如图3所示，空心柱301上端设有进气口，空心柱301的一侧设置有出气孔303，空心柱301竖向安装在测试区内并位于皮托管3的背风侧中心处设置，出气孔303沿空心柱301竖向设置，空心柱301顶端开设有进气口。

空心柱301的出气孔303侧壁设置有调节机构，调节结构包括位于出气孔303两侧的摆动板305，摆动板305的连接端与出气孔303侧壁铰接。

考虑到气流在从皮托管3经过后，会在皮托管3的背风侧产生紊流，从皮托管3左、右两侧的气流在周围气流的作用下会朝向中心汇集，从而影响测试区内测量设备采集到的测量数据的准确性，因此本实施例中，在皮托管3的背风侧设置有空心柱301，使用时，从空心柱301的进气口向空心柱301内部注入空气，本实施例中采用鼓风机注入空气，在其他实施例中可以采用气枪或风扇向空心柱301注入空气。

注入空心柱301的空气又从出气孔303流出，由于空心柱301设置在皮托管3的背风侧中心处，因此流出出气孔303的气流与经过皮托管3左、右两侧后将朝向中心汇集的气流汇合，在这种情况下，经过皮托管3左、右两侧后的气流，一方面，在周围气流的压力下会朝向中心汇集，另一方便，在流出出气孔303的气流的压力下会朝向两侧散开，因此，经过皮托管3左、右两侧后的气流在周围气流以及流出出气孔303的气流的作用下就会保持原来的运动方向继续流动，从而也就消除了紊流现象，保证了测试区内测量设备采集到的测量数据的准确性。

摆动板305的设置，对流出出气孔303的气流进行导向作用，在流出出气孔303的气流大时，摆动板305在该气流的作用下摆动幅度大，气流朝向两侧散开的幅度也就大；在流出出气孔303的气流小时，摆动板305在该气流的作用下摆动幅度小，气流朝向两侧散开的幅度也就小。这样一来，也就能够对经过皮托管3左、右两侧后的气流后出现不同程度的紊流进行消除。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (9)

1.力与流场多技术联动测量控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

测试系统搭建步骤：将测试模型和测量设备安装在风洞测试区内，将各测量设备安装在风洞测试区中不同位置；

设备调控步骤：对测量设备进行校准，并设定采集参数；

设备采集时序设定步骤：设定测量设备的采集时序，根据风洞的来流速度确定上游扰动向下游传播的传播时间，并根据传播时间和测量设备在风洞内的位置确定扰动到达测量设备的到达时间，根据测量设备的到达时间设定测量设备的采集时序；

测量步骤：在风洞测试区内空气流动稳定后，控制测量设备按照设定的采集时序进行测量；

采集步骤：采集测量设备实时测量得到的测量数据；

所述测量步骤中，所述测量设备包括皮托管，在所述皮托管测量的参数稳定后，其他测量设备根据确定的采集时序进行测量；

还包括基于补偿子系统的补偿步骤，所述补偿子系统包括空心柱，所述空心柱上端设有进气口，空心柱的一侧设置有出气孔，空心柱竖向安装在风洞测试区内并位于皮托管的背风侧中心处设置，出气孔沿空心柱竖向设置，空心柱顶端开设有进气口；

所述空心柱的出气孔侧壁设有调节机构，所述调节机构包括位于出气孔两侧的摆动板，所述摆动板的连接端与出气孔侧壁铰接。

2.根据权利要求1所述的力与流场多技术联动测量控制方法，其特征在于：所述测量步骤中，所述测量设备包括压力传感器，所述压力传感器沿所述测试模型的周向布置。

3.根据权利要求1所述的力与流场多技术联动测量控制方法，其特征在于：所述测量步骤中，所述测量设备还包括有五孔探针，在所述五孔探针测量得到的气流偏转角符合预设的测试要求以及所述皮托管测量的参数稳定后，其他测量设备根据确定的采集时序进行测量。

4.根据权利要求3所述的力与流场多技术联动测量控制方法，其特征在于：所述测试系统搭建步骤中，所述测量设备通过移测机构安装在风洞测试区中，在测量步骤中，在完成一次测量数据的采集后，通过移测机构移动测量设备位置后继续进行测量。

5.根据权利要求4所述的力与流场多技术联动测量控制方法，其特征在于：所述测量步骤中，所述测量设备包括记录烟线在风洞测试区中流动图形的烟线流动显示系统。

6.根据权利要求5所述的力与流场多技术联动测量控制方法，其特征在于：所述测量步骤中，在启动所述烟线流动显示系统前，移动所述移测机构使得测量设备移出风洞测试区。

7.根据权利要求1所述的力与流场多技术联动测量控制方法，其特征在于：所述设备调控步骤中还对测量设备进行标定操作。

8.根据权利要求1所述的力与流场多技术联动测量控制方法，其特征在于：所述测试系统搭建步骤中，所述测试模型的顶部和底部分别通过端板与风洞测试区侧壁连接。

9.力与流场多技术联动测量控制系统，其特征在于：包括测试模型和测量设备，所述测量设备包括皮托管；

所述测量设备预定有采集参数，根据风洞的来流速度确定上游扰动向下游传播的传播时间，并根据传播时间和测量设备在风洞内的位置确定扰动到达测量设备的到达时间，根据测量设备的到达时间设定测量设备的采集时序，所述测量设备按照所述采集时序对测试模式的采集参数进行测量得到测量数据；

还包括补偿子系统，所述补偿子系统包括空心柱，所述空心柱上端设有进气口，空心柱的一侧设置有出气孔，空心柱竖向安装在风洞测试区内并位于皮托管的背风侧中心处设置，出气孔沿空心柱竖向设置，空心柱顶端开设有进气口；

所述空心柱的出气孔侧壁设有调节机构，所述调节机构包括位于出气孔两侧的摆动板，所述摆动板的连接端与出气孔侧壁铰接。

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