CN111896772A - 应用在风洞中的粒子成像测速系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种应用在风洞中的粒子成像测速系统，包括风洞洞体、模型支撑及移动装置、粒子发生器、粒子散布连接器、粒子散布管、照明装置以及图像获取装置。模型支撑及移动装置设置于风洞的实验段以外，用于安装模型，并带动模型在风洞的实验段内进行移动。粒子发生器通过粒子散布连接器与粒子散布管连接。风洞的侧壁上对称地开设有安装孔。粒子散布管设置于对称地两个安装孔之间。粒子散布管上设有粒子散布喷嘴，粒子散布喷嘴喷出的示踪粒子层与模型的待测展向截面重合。照明装置发出的激光片光层与模型的待测展向截面以及示踪粒子层三者重合。图像获取装置设置于风洞的实验段以外，用于获取模型的待测展向截面内的图像。

Description

应用在风洞中的粒子成像测速系统

技术领域

本申请涉及风洞实验技术领域，特别是涉及一种应用在风洞中的粒子成像测速系统。

背景技术

为了模拟飞行器或实体周围气体的流动情况，风洞可提供以人工方式产生并且可控制的气流环境，同时结合测速、测压、测力等实验设备可量化气流对实体的作用效果并观察实验现象。

风洞实验技术自出现以来伴随着现代航空工业的发展而不断进步，越来越多的高新测量技术被应用于风洞实验环境。粒子成像测速技术(Particle Image Velocimetry，PIV)作为一种非接触式的全流场速度测量技术，可记录一段时间内某一平面或者空间区域中每一时刻的速度信息，具有空间流场的时间解析能力。其原理是在流场中均匀地散布大量反光性能良好且可跟随流场运动的示踪粒子，利用激光器等光源照亮测量区域内的示踪粒子并使用数字相机拍摄粒子照片，最后通过互相关技术计算前后两帧或多帧照片内示踪粒子的位移。在两帧照片拍摄时间间隔足够短的情况下，根据已知的位移和时间间隔可以得到示踪粒子的速度，并用其表征测量区域内的流场速度。PIV测速技术不仅克服了以往流场测量中单点测量及设备对流场干扰的局限性，而且具有高精度和高分辨率，目前在涉及流场测量的机械、冶金、化工、汽车、航空、水文和医学等众多领域应用广泛。

在流动显示技术的基础上，PIV测速充分利用光学技术、现代计算机技术和图像处理技术，并随着这些技术的进步而不断发展。典型的PIV系统主要由照明系统、成像系统和图像处理系统等部分组成。照明系统主要由连续或脉冲激光器、光路系统和片光源光学镜头组等构成；成像系统包括数字照相机和信号同步器等；图像处理系统主要是分析软件和工作站。同时，PIV测量设备还需要针对不同的测量环境进行一定的调整及改装。

目前，PIV技术应用最好的领域是在水流实验中单一平面的流场测量。因为水介质中容易均匀地散布示踪粒子，粒子颗粒较大且散射性好，同时水流速度较低，容易拍摄到清晰的粒子图像而获得准确且精度高的流场信息。由此可知示踪粒子的散布质量与PIV测量结果密切相关，因此在风洞流场测量中如何均匀散布示踪粒子是个关键点。

发明内容

基于此，本申请提供一种应用在风洞中的粒子成像测速系统，可以根据实验需要在风洞的不同位置安装粒子散布管，使风洞洞体成为粒子散布管的支撑框架，节约设备成本，结构简洁稳固，减小粒子散布管的迎风面积，对流场干扰小，还可扩大示踪粒子的散布范围。

一种应用在风洞中的粒子成像测速系统，包括：

风洞洞体，风洞洞体的侧壁上对称地开设有安装孔；

模型支撑及移动装置，设置于风洞洞体的实验段以外，用于安装模型，并带动模型在风洞洞体的实验段内进行移动；

粒子发生器，用于产生示踪粒子；

粒子散布连接器，入口端与粒子发生器连接；

粒子散布管，与粒子散布连接器出口端连接，设置于对称地两个安装孔之间，粒子散布管上设有粒子散布喷嘴，粒子散布喷嘴喷出的示踪粒子层与模型的待测展向截面重合；

照明装置，发出的激光片光层与模型的待测展向截面以及示踪粒子层三者重合；以及

图像获取装置，设置于风洞洞体的实验段以外，用于获取模型的待测展向截面内的图像。

在其中一个实施例中，模型支撑及移动装置包括：

底座，为模型支撑及移动装置的底端；

流向位置调节器，设置于底座的上表面，用于实现模型在流向方向上的移动；

宽度方向位置调节器，设置于流向位置调节器上，用于实现模型在宽度方向上的移动；

偏航方向调节涡轮，设置于宽度方向位置调节器上，用于实现模型在偏航方向上角度的调节；

俯仰方向调节涡轮，设置于偏航方向调节涡轮上，用于实现模型在俯仰方向上角度的调节；

高度位置调节器，设置于俯仰方向调节涡轮上，用于实现模型在高度方向上的调节，流向方向、宽度方向以及高度方向两两互相垂直；以及

模型安装平台，设置于高度位置调节器上，用于安装模型。

在其中一个实施例中，流向位置调节器包括：

流向位置调节轨道，设置于底座的上表面；

流向位置调节平台，设置于流向位置调节轨道上，用于支撑宽度方向位置调节器；以及

流向位置调节螺杆，设置于底座的上表面。

在其中一个实施例中，还包括：

万向轮，设置于底座的底部；以及

调节脚杯，设置于底座的底部。

在其中一个实施例中，模型安装平台上布设有螺纹通孔，用于安装模型。

在其中一个实施例中，粒子散布连接器包括：

锁紧扣，一端穿过安装孔与粒子散布管的一端连接；以及

连接软管，具有入口端和出口端，入口端与粒子发生器连接，出口端与锁紧扣的另一端连接。

在其中一个实施例中，连接软管为Y型快插软管。

在其中一个实施例中，安装孔在风洞洞体侧壁对称水平或者对称垂直分布。

在其中一个实施例中，安装孔在风洞洞体侧壁上的每一侧数量均为2对至7对。

在其中一个实施例中，粒子散布管上等间距的设有3个至7个粒子散布喷嘴。

上述应用在风洞中的粒子成像测速系统，包括风洞洞体、模型支撑及移动装置、粒子发生器、粒子散布连接器、粒子散布管、照明装置以及图像获取装置。风洞的侧壁上对称地开设有安装孔。模型支撑及移动装置设置于风洞的实验段以外，用于安装模型，并带动模型在风洞的实验段内进行移动。粒子发生器通过粒子散布连接器与粒子散布管连接。粒子散布管设置于对称地两个安装孔之间。粒子散布管上设有粒子散布喷嘴，粒子散布喷嘴喷出的示踪粒子层与模型的待测展向截面重合。照明装置发出的激光片光层与模型的待测展向截面以及示踪粒子层三者重合。图像获取装置设置于风洞的实验段以外，用于获取模型的待测展向截面内的图像。可以根据实验需要在风洞的不同位置安装粒子散布管，使风洞洞体成为粒子散布管的支撑框架，节约设备成本，结构简洁稳固，减小粒子散布管的迎风面积，对流场干扰小，还可扩大示踪粒子的散布范围。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一个实施例提供的粒子成像测速在风洞中应用的系统结构示意图；

图2为本申请一个实施例提供的模型支撑及移动装置示意图；

图3为本申请一个实施例提供的粒子发生器及粒子散布管的连接示意图；

图4为本申请一个实施例提供的模型支撑及移动装置、照明装置和图像获取装置的安装示意图。

主要元件附图标号说明

10、风洞洞体；11、安装孔；20、模型；30、模型支撑及移动装置；31、底座；311、万向轮；312、调节脚杯；32、流向位置调节器；321、流向位置调节轨道；322、流向位置调节平台；323、流向位置调节螺杆；33、宽度方向位置调节器；34、偏航方向调节涡轮；35、俯仰方向调节涡轮；36、高度位置调节器；37、模型安装平台；41、粒子散布管；411、粒子散布喷嘴；42、粒子发生器；43、粒子散布连接器；431、锁紧扣；432、连接软管；50、照明装置；51、激光片光层；52、激光镜头；53、三脚架；54、导光臂；55、激光器；60、图像获取装置；61、相机支架；62、高速相机。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请范围的情况下，可以将第一获取模块称为第二获取模块，且类似地，可将第二获取模块称为第一获取模块。第一获取模块和第二获取模块两者都是获取模块，但其不是同一个获取模块。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是以描述具体的实施例为目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本申请提供一种应用在风洞中的粒子成像测速系统。上述系统包括风洞洞体10、模型支撑及移动装置30、粒子发生器42、粒子散布连接器43、粒子散布管41、照明装置50以及图像获取装置60。风洞洞体10的侧壁上对称地开设有安装孔11。模型支撑及移动装置30设置于风洞洞体10的实验段以外，用于安装模型20，并带动模型20在风洞洞体10的实验段内进行移动。粒子散布连接器43入口端与粒子发生器42连接，出口端与粒子散布管41连接。粒子散布管41设置于对称地两个安装孔11之间。粒子散布管41上设有粒子散布喷嘴411。粒子散布喷嘴411喷出的示踪粒子层与模型20的待测展向截面重合。照明装置50发出的激光片光层51与模型20的待测展向截面以及示踪粒子层三者重合。图像获取装置60设置于风洞洞体10的实验段以外，用于获取模型20的待测展向截面内的图像。

具体请参见图1，可以理解的是，风洞不仅限于本实施例中的开口直流风洞，风洞也可为回流风洞等。图像获取装置60与常规PIV系统中的装置使用方法基本一致，如图4所示高速相机62安装在相机支架61上，并与用于保存及处理图像的计算机相连(在本图中省略未显示)。

开启风洞10并打开粒子发生器42，粒子发生器42产生的示踪粒子可通过粒子散布连接器43从两端进入粒子散布管41，并从均匀分布的粒子散布喷嘴411喷出。

根据实验需要在风洞洞体10的不同位置侧壁上开设安装孔11。可选地，风洞洞体10的蜂窝网下游、收缩段上游的侧壁上开有对称分布的安装孔11。这些安装孔11在垂直方向和水平方向均有分布。如图3所示，粒子散布管41安装在对称地两个安装孔11之间。粒子散布管41为中空结构，为示踪粒子的流动通道。

可以理解的是，模型支撑及移动装置30的结构不做具体限定，只要通过粒子散布管41和模型支撑及移动装置30的联调，可以改变示踪粒子散布位置及模型20位置，以确保粒子散布喷嘴411喷出的示踪粒子层与模型20的待测展向截面重合即可。此时，调节两台高速相机62，使其能同时且清晰地拍摄到待测展向截面内同一区域，在该区域内放入标定板，完成获取图像像素与实际长度比例的标定工作。

可以理解的是，粒子散布喷嘴411的数量不做具体限定。在其中一个可选的实施例中，粒子散布管上等间距的设有3个至7个粒子散布喷嘴411。

可选地，照明装置50包括依次连接的激光器55、导光臂54以及激光镜头52。激光镜头52设置在三脚架53上。调整三脚架53的位置，通过导光臂54使激光镜头52处于与待测展向截面相同的高度。打开激光器55，细调激光镜头52，使激光片光层51与待测展向截面重合。在一个可选的实施例中，通过调节镜头焦距使片光层厚度为1-1.5mm。此时，待测展向截面、示踪粒子层与激光片光层51三者重合，如图4所示待测区域内的示踪粒子被均匀照亮，即可开始实验图像拍摄采集。

本实施例中，上述粒子成像测速系统可以根据实验需要在风洞洞体10的不同位置安装粒子散布管41，使风洞洞体10成为粒子散布管41的支撑框架，节约设备成本，结构简洁稳固，减小粒子散布管41的迎风面积，对流场干扰小，还可扩大示踪粒子的散布范围。

在其中一个实施例中，模型支撑及移动装置30包括底座31、流向位置调节器32、宽度方向位置调节器33、偏航方向调节涡轮34、俯仰方向调节涡轮35、高度位置调节器36以及模型安装平台37。

底座31为模型支撑及移动装置30的底端。流向位置调节器32设置于底座31的上表面，用于实现模型20在流向方向上的移动。宽度方向位置调节器33设置于流向位置调节器32上，用于实现模型20在宽度方向上的移动。偏航方向调节涡轮34设置于宽度方向位置调节器33上，用于实现模型20在偏航方向上角度的调节。俯仰方向调节涡轮35设置于偏航方向调节涡轮34上，用于实现模型20在俯仰方向上角度的调节。高度位置调节器36设置于俯仰方向调节涡轮35上，用于实现模型20在高度方向上的调节。流向方向、宽度方向以及高度方向两两互相垂直。模型安装平台37设置于高度位置调节器36上，用于安装模型20。

按图1中的示例，此时示踪粒子为位于风洞洞体10中间位置的水平粒子层，通过模型支撑及移动装置30在五个方向上的调节旋钮，自下而上的细调模型20位置，保证模型20与示踪粒子层垂直，同时待测展向截面与示踪粒子层完全重合。

请一并参见图2，在其中一个可选的实施例中，流向位置调节器32包括流向位置调节轨道321、流向位置调节平台322以及流向位置调节螺杆323。流向位置调节轨道321设置于底座31的上表面。流向位置调节平台322设置于流向位置调节轨道321上，用于支撑宽度方向位置调节器33。流向位置调节螺杆323设置于底座31的上表面。通过调节流向位置调节螺杆323，使得流向位置调节平台322可以在流向位置调节轨道321上滑动，以带动其他调节器和模型安装平台37沿着流向方向进行前后移动。

模型20在模型安装平台37的安装方式不做具体限定。在其中一个可选的实施例中，模型安装平台37上布设有螺纹通孔，用于安装模型20。

本实施例中，通过粒子散布管41和模型安装平台37的联调，可以改变示踪粒子散布位置及模型20位置，扩大实验可测试区域，并简化模型支撑及移动装置30的结构，降低其对流场的影响及设备成本。模型支撑及移动装置30通过机械方式可实现模型五个自由度的调节，根据实验需要在前期设计时可采用不同螺距的螺杆，设计模型支撑及移动装置30的调节精度，其成本远远低于由步进电机控制的五自由度坐标架。

在其中一个可选的实施例中，模型支撑及移动装置30还包括具有锁紧功能的万向轮311和调节脚杯312。万向轮311设置于底座31的底部。调节脚杯312设置于底座31的底部。

具体的，在进行PIV实验时，首先需要确定模型20的待测展向截面，并将该待测展向截面调整到风洞洞体10实验段的中间区域。具体步骤如下：将模型支撑及移动装置30上各调节旋钮调到中间或零点位置。松开底座31下面的万向轮311及调节脚杯312，通过万向轮311将模型20移动到风洞洞体10实验段的中间区域，注意不要过于靠近风洞洞体10壁面，避免洞壁干扰。通过高度位置调节装置36将待测展向截面大致调节到粒子散布管41相同的截面上。确定好模型20的大概位置后，锁紧万向轮311并支起调节脚杯312，固定底座31并保证其水平。随后，再通过螺纹螺杆结构(各位置调节器)自下而上进行模型安装平台37的细调，最终使待测截面与示踪粒子层完全重合，即在该重合区域内放入标定板，完成获取图像像素与实际长度比例的标定工作。

在其中一个实施例中，粒子散布连接器43的结构不做具体限定，只要可以连接粒子发生器42和粒子散布管41，并可运输示踪粒子即可。在其中一个可选的实施例中，粒子散布连接器43包括锁紧扣431和连接软管432。锁紧扣431一端穿过安装孔11与粒子散布管41的一端连接。连接软管432具有入口端和出口端，入口端与粒子发生器42连接，出口端与锁紧扣431的另一端连接。可选地，连接软管432为Y型快插软管。此时Y型快插软管具有一个入口端和两个出口端。两个出口端分别与的粒子散布管41两端的锁紧扣431相连。可选地，粒子散布管41两端有5厘米至10厘米的内螺纹，通过外螺纹与锁紧扣431连接，锁紧扣431上的台阶可锁定粒子散布管41的位置。

由于Y型快插软管、锁紧扣431及粒子散布管41均为中空结构，粒子发生器42产生的示踪粒子可通过Y型快插软管及粒子锁紧扣431从两端进入粒子散布管41，并从均匀分布的粒子散布喷嘴411喷出。

在进行PIV实验时，首先需要确定模型20的待测展向截面，并将该截面调整到风洞洞体10实验段的中间区域。之后利用粒子散布管41和模型安装平台37位置的联调确保模型20与示踪粒子层垂直，同时待测展向截面与示踪粒子层完全重合。调节两台高速相机62，使其能同时且清晰地拍摄到待测展向截面内同一区域，在该区域内放入标定板，完成获取图像像素与实际长度比例的标定工作。之后，调节照明装置50，使待测展向截面、示踪粒子层与激光片光层51三者重合，并均匀照亮标定时拍摄到的待测区域。接下来就是对PIV系统进行常规的拍摄记录。在大部分PIV实验过程中，测量不同展向截面处的绕流结构时，以上步骤都得重复一次，繁琐而且工作量较大。但是通过本申请，不仅可以简化示踪粒子散布装置的结构，而且在测量不同的展向截面时，只需要调整模型支撑及移动装置30上的高度位置调节装置36就可将任意待测展向截面移动到标定好的激光片光层51内。同时可以根据实验需要，通过流向位置调节装置32、宽度方向位置调节装置33、偏航方向调节涡轮34、俯仰方向调节涡轮35调节模型姿态，研究流向位置、展向位置、俯仰角度、偏航角度对待测截面内流动结构的影响，简单高效。

进一步，在一个实施例中，风洞洞体10实验段横截面积为0.8m宽×1.0m高，为了使模型支撑及移动装置30结构紧凑，并未将宽度方向位置调节装置33和高度位置调节装置36的调节范围设置为0～0.8m和0～1.0m，而是采用了在底座31下安装万向轮311的方法。在初步确定模型20位置时直接将模型支撑及移动装置30推到风洞洞体10实验段中心区域(即流场质量最好的区域)后固定，再通过调节范围为0～300mm的宽度方向位置调节装置33和调节范围为0～500mm的高度位置调节装置36细调待测展向截面到示踪粒子层所在的高度。风洞洞体侧壁上均匀地分布着2至7对对称地安装孔11，由于高度位置调节装置36在最低点时，模型安装平台37上表面正好与风洞洞体10实验段底部平齐。当粒子散布管41安装在风洞洞体10中间位置时(风洞洞体实验段高度为1m)，通过调整高度位置调节装置36即可测量距离模型翼根0～500mm展向截面(模型20高600mm)；当测量距离模型翼根大于500mm展向截面时，可将粒子散布管41安装在风洞洞体中心位置上侧的安装孔11，通过高度位置调节装置36合理调节待测展向截面至示踪粒子层即可。在该实施例中，仅需要改变一次粒子散布管41位置，完成两次PIV标定即可测量模型20从翼根到翼尖的各个展向截面流场结构，大大减低了PIV实验测量过程中调节模型、PIV设备及标定的工作量。另外，流向位置调节装置32调节范围为0～600mm，偏航方向调节涡轮34和俯仰方向调节涡轮35的调节范围均为-45°～45°，完全满足实验中的各种测量需求。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种应用在风洞中的粒子成像测速系统，其特征在于，包括：

风洞洞体，所述风洞洞体的侧壁上对称地开设有安装孔；

模型支撑及移动装置，设置于所述风洞洞体的实验段以外，用于安装模型，并带动所述模型在所述风洞洞体的实验段内进行移动；

粒子发生器，用于产生示踪粒子；

粒子散布连接器，入口端与所述粒子发生器连接；

粒子散布管，与所述粒子散布连接器出口端连接，设置于对称地两个所述安装孔之间，所述粒子散布管上设有粒子散布喷嘴，所述粒子散布喷嘴喷出的示踪粒子层与所述模型的待测展向截面重合；

照明装置，发出的激光片光层与所述模型的待测展向截面以及所述示踪粒子层三者重合；以及

图像获取装置，设置于所述风洞洞体的实验段以外，用于获取所述模型的待测展向截面内的图像。

2.根据权利要求1所述应用在风洞中的粒子成像测速系统，其特征在于，所述模型支撑及移动装置包括：

底座，为所述模型支撑及移动装置的底端；

流向位置调节器，设置于所述底座的上表面，用于实现所述模型在流向方向上的移动；

宽度方向位置调节器，设置于所述流向位置调节器上，用于实现所述模型在宽度方向上的移动；

偏航方向调节涡轮，设置于所述宽度方向位置调节器上，用于实现所述模型在偏航方向上角度的调节；

俯仰方向调节涡轮，设置于所述偏航方向调节涡轮上，用于实现所述模型在俯仰方向上角度的调节；

高度位置调节器，设置于所述俯仰方向调节涡轮上，用于实现所述模型在高度方向上的调节，所述流向方向、所述宽度方向以及所述高度方向两两互相垂直；以及

模型安装平台，设置于所述高度位置调节器上，用于安装所述模型。

3.根据权利要求2所述应用在风洞中的粒子成像测速系统，其特征在于，所述流向位置调节器包括：

流向位置调节轨道，设置于所述底座的上表面；

流向位置调节平台，设置于流向位置调节轨道上，用于支撑所述宽度方向位置调节器；以及

流向位置调节螺杆，设置于所述底座的上表面。

4.根据权利要求2所述应用在风洞中的粒子成像测速系统，其特征在于，还包括：

万向轮，设置于所述底座的底部；以及

调节脚杯，设置于所述底座的底部。

5.根据权利要求2所述应用在风洞中的粒子成像测速系统，其特征在于，所述模型安装平台上布设有螺纹通孔，用于安装所述模型。

6.根据权利要求1所述应用在风洞中的粒子成像测速系统，其特征在于，所述粒子散布连接器包括：

锁紧扣，一端穿过所述安装孔与所述粒子散布管的一端连接；以及

连接软管，具有入口端和出口端，所述入口端与所述粒子发生器连接，所述出口端与所述锁紧扣的另一端连接。

7.根据权利要求6所述应用在风洞中的粒子成像测速系统，其特征在于，所述连接软管为Y型快插软管。

8.根据权利要求1所述应用在风洞中的粒子成像测速系统，其特征在于，所述安装孔在所述风洞洞体侧壁对称水平或者对称垂直分布。

9.根据权利要求8所述应用在风洞中的粒子成像测速系统，其特征在于，所述安装孔在所述风洞洞体侧壁上的每一侧数量均为2对至7对。

10.根据权利要求1所述应用在风洞中的粒子成像测速系统，其特征在于，所述粒子散布管上等间距的设有3个至7个所述粒子散布喷嘴。

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