CN112067309B - 一种基于旋转实验台的piv全流场同步自动测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于旋转实验台的PIV全流场同步自动测量系统，通过反光镜的反射原理将激光发生器发出的激光引导至测量段，同时反光镜和PIV摄像机均被固定在滚珠丝杠上，从而实现在不关停旋转实验台的前提下，对通道测量段的主流和二次流进行全流场同步自动拍摄。拍摄主流的PIV相机放在通道测量段的侧边，拍摄二次流的PIV相机放置在通道测量段出口处，都与测量段保持在同一旋转臂上，将激光发生器放置在中间的转盘上，从而保证同步测量，即时间分辨率足够高，并且提高了旋转的安全性，同时本发明能够实现旋转条件下通道测量段全流场激光粒子图像测速的自动测量，极大地提高测量效率和安全性，最终能够提高全流场流动数据的精度。
Description
技术领域
本发明涉及旋转换热实验技术领域，特别是涉及一种基于旋转实验台的PIV全流场同步自动测量系统。
背景技术
在航空发动机领域，为了提高发动机的推重比，必须要提高涡轮前温度，目前涡轮前温度已经达到并超过2000K，而且正朝着更高的方向发展，这已经严重超过了目前材料的耐受温度，除了不断提高的涡轮进口温度以外，涡轮叶片还承受着由高速旋转引起的机械负荷、由燃气冲击引起的气动载荷以及化学腐蚀、由叶片自身温度不均匀引起的热应力，所以需要通过冷却技术来降低涡轮叶片的工作温度，延长其工作寿命。内冷通道作为叶片中弦主要冷却形式，受到了广泛的研究。然而在旋转条件下通道内的流动情况与静止时完全不同，因此，了解流动在旋转条件下有哪些独特现象，对了解内冷通道流动背后的机理，优化涡轮叶片设计，提高发动机性能有着至关重要的意义。
由于真实涡轮叶片内冷通道截面形状不规则，而且通道壁面又布置了肋片，再加上旋转引起的离心力以及哥氏力的影响，内冷通道内部的流动非常复杂。为了分析各种因素对旋转通道换热以及流动的影响，必须简化通道几何结构，一般将其简化为方通道。方通道作为涡轮叶片内冷通道的基本结构，对于旋转换热问题研究往往被作为基本对象。实验研究是探寻其流动机理的基础方法，其中激光粒子图像测速技术(PIV)被广泛应用于流体实验测量研究中。激光粒子图像测速技术(PIV)的工作原理主要是利用高速相机对流动现象进行拍摄，并针对拍摄图片进行定量分析。与此同时，激光粒子图像测速技术(PIV)由于具有面测量、非接触测量等特点，也被广泛应用于流体实验测量研究中。将PIV技术应用于方通道内流全流场的测量实验研究中，即可以得到流场的流动信息，还可以获取瞬时流场速度矢量，克服了单点测量的局限性。同步采集得到的流动规律、速度场、涡量场等信息，可以帮助深入研究旋转换热这类复杂问题的流动机理。然而过去往往很难将PIV技术应用于旋转条件下方通道内流全流场同步自动测量，主要体现在难以实现两者的同步性和全流场自动测量，进而导致流场相关信息的时间分辨率很低，精度较低。因此，为了提高时间分辨率和测量精度，急需提出一种基于旋转实验台的PIV全流场同步自动测量系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于旋转实验台的PIV全流场同步自动测量系统，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于旋转实验台的PIV全流场同步自动测量系统，包括计算机、旋转实验台及安装在旋转实验台上的转盘，所述转盘上对称固定安装有旋转臂，所述旋转臂上设置有测量机构；
所述测量机构包括滚珠丝杠、步进电机、反光镜、通道测量段、PIV相机和激光发生器；所述滚珠丝杠、步进电机和通道测量段均固定安装在所述旋转臂上，所述激光发生器固定安装在所述转盘上，所述滚珠丝杠对称设置在所述通道测量段两侧，所述反光镜和PIV相机均固定安装在所述滚珠丝杠的滑块上；所述激光发生器发出的激光经所述反光镜反射照射至通道测量段，所述通道测量段为透明通道测量段；所述旋转实验台、PIV相机和步进电机均与所述计算机电性连接。
优选的，所述PIV相机分为拍摄主流的主流相机和拍摄二次流的二次流相机；所述主流相机固定安装在所述滚珠丝杠的滑块上，所述主流相机与所述通道测量段垂直设置，并与所述反光镜在同一平面内；所述二次流相机固定安装在所述通道测量段出口端。
优选的，所述反光镜安装在安装板上，所述安装板与所述滚珠丝杠的滑块固定连接，所述安装板与所述旋转臂滑动连接。
优选的，所述反光镜与所述通道测量段的夹角为45度。
优选的，所述激光发生器对称设置在所述通道测量段两侧。
优选的，所述PIV相机通过导线与所述计算机相连接，所述计算机用于所述PIV相机的触发和数据采集。
优选的，所述通道测量段的材质为透明有机玻璃。
本发明公开了以下技术效果：
1.本发明公开的基于旋转实验台的PIV全流场同步自动测量系统，通过设置反光镜，利用反光镜的反射原理，不必将激光发生器与PIV相机一起固定在旋转臂上，而是将其放置在旋转实验台中部的转盘上，从而提高实验的安全性和灵活性。
2.本发明公开的基于旋转实验台的PIV全流场同步自动测量系统，通过将PIV相机与反光镜固定在滚珠丝杠上，步进电机驱动滚珠丝杠平移，从而不必关停旋转实验台，实现连续自动测量。
3.本发明公开的基于旋转实验台的PIV全流场同步自动测量系统，通过导线将计算机和PIV相机、旋转实验台连接，能够智能便捷地实现对旋转速度的控制；同时实现对PIV拍摄及高速摄像数据的同步触发以及快速数据采集，提高实验测量效率。
4.本发明公开的基于旋转实验台的PIV全流场同步自动测量系统，PIV相机和通道测量段固定在同一旋转臂上，保持相对静止，实现通道流场高速摄像与激光粒子图像测速地同步测量，进而提高通道流场实验测量效率，且通过同步测量能够提高实验数据精度和时间分辨率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明公开的基于旋转实验台的PIV全流场同步自动测量系统的工作示意图；
图2为本发明测量机构的结构示意图；
其中，1-滚珠丝杠、2-步进电机、3-反光镜、4-通道测量段、51-主流相机、52-二次流相机、6-激光发生器、7-计算机、8-旋转实验台、9-转盘、10-旋转臂。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种基于旋转实验台的PIV全流场同步自动测量系统，包括计算机7、旋转实验台8及安装在旋转实验台8上的转盘9，为方便进行对照实验，所述转盘9上对称固定安装有旋转臂10，所述旋转臂10上设置有测量机构；
所述测量机构包括滚珠丝杠1、步进电机2、反光镜3、通道测量段4、PIV相机和激光发生器6；所述滚珠丝杠1、步进电机2和通道测量段4均固定安装在所述旋转臂10上，所述激光发生器6固定安装在所述转盘9上，所述滚珠丝杠1对称设置在所述通道测量段4两侧，所述反光镜3和PIV相机均固定安装在所述滚珠丝杠1的滑块上；所述激光发生器6对称设置在所述通道测量段4两侧，所述反光镜3与所述通道测量段4的夹角为45度，所述激光发生器6发出的激光经所述反光镜3反射照射至通道测量段4，所述通道测量段4的材质为透明有机玻璃；所述旋转实验台8、PIV相机和步进电机2均通过导线与所述计算机7相连接，所述计算机7用于所述PIV相机的触发和数据采集。
进一步的，所述PIV相机分为拍摄主流的主流相机51和拍摄二次流的二次流相机52；所述主流相机51固定安装在所述滚珠丝杠1的滑块上，所述主流相机51与所述通道测量段4垂直设置，并与所述反光镜3在同一平面内；所述二次流相机52固定安装在所述通道测量段4出口端。
进一步的，所述反光镜3安装在安装板上，所述安装板与所述滚珠丝杠1的滑块固定连接，所述安装板与所述旋转臂10滑动连接。
进一步优化方案，所述反光镜3和旋转臂10的角度可调，以实现在不同倾斜角度时研究通道测量段4内的粒子流动情况。
本发明公开的一种基于旋转实验台8的PIV全流场同步自动测量系统的工作方法为：首先将滚珠丝杠1、步进电机2和通道测量段4安装在旋转实验台8的旋转臂10上，再将反光镜3与拍摄主流的主流相机51固定在滚珠丝杠1的滑块上，拍摄二次流的二次流相机52固定在通道测量段4的出口处，保证PIV相机与通道测量段4保持相对静止，激光发生器6放置于旋转实验台8中间的转盘9上，做实验时，通过计算机7的指令使旋转实验台8达到规定旋转速度，通过反光镜3的反射原理将激光发生器6发出的激光引导至通道测量段4，然后计算机7触发PIV相机进行对其进行激光粒子图像测速拍摄，拍摄完成后再通过计算机7的指令驱动步进电机2，带动反光镜3和PIV相机移动到下一个拍摄位置，重复以上操作直至拍摄完通道测量段4的全流场。如果需要做对照实验，可以在另一个旋转臂10上放置对照测量段，这样做的好处是尽可能的保证两个测量段的工况一致，这样就实现了旋转条件下的PIV全流场同步自动测量，提高实验数据精度和时间分辨率，大大缩短实验时间和实验难度，并且保证了实验的安全性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于旋转实验台的PIV全流场同步自动测量系统，其特征在于，包括计算机(7)、旋转实验台(8)及安装在旋转实验台(8)上的转盘(9)，所述转盘(9)上对称固定安装有旋转臂(10)，所述旋转臂(10)上设置有测量机构；
所述测量机构包括滚珠丝杠(1)、步进电机(2)、反光镜(3)、通道测量段(4)、PIV相机和激光发生器(6)；所述滚珠丝杠(1)、步进电机(2)和通道测量段(4)均固定安装在所述旋转臂(10)上，所述激光发生器(6)固定安装在所述转盘(9)上，所述滚珠丝杠(1)对称设置在所述通道测量段(4)两侧，所述反光镜(3)和PIV相机均固定安装在所述滚珠丝杠(1)的滑块上；所述激光发生器(6)发出的激光经所述反光镜(3)反射照射至通道测量段(4)，所述通道测量段(4)为透明通道测量段；所述旋转实验台(8)、PIV相机和步进电机(2)均与所述计算机(7)电性连接；
所述PIV相机分为拍摄主流的主流相机(51)和拍摄二次流的二次流相机(52)；所述主流相机(51)固定安装在所述滚珠丝杠(1)的滑块上，所述主流相机(51)与所述通道测量段(4)垂直设置，并与所述反光镜(3)在同一平面内；所述二次流相机(52)固定安装在所述通道测量段(4)出口端；所述反光镜(3)安装在安装板上，所述安装板与所述滚珠丝杠(1)的滑块固定连接，所述安装板与所述旋转臂(10)滑动连接。
2.根据权利要求1所述的基于旋转实验台的PIV全流场同步自动测量系统，其特征在于：所述反光镜(3)与所述通道测量段(4)的夹角为45度。
3.根据权利要求1所述的基于旋转实验台的PIV全流场同步自动测量系统，其特征在于：所述激光发生器(6)对称设置在所述通道测量段(4)两侧。
4.根据权利要求1所述的基于旋转实验台的PIV全流场同步自动测量系统，其特征在于：所述PIV相机通过导线与所述计算机(7)相连接，所述计算机(7)用于所述PIV相机的触发和数据采集。
5.根据权利要求1所述的基于旋转实验台的PIV全流场同步自动测量系统，其特征在于：所述通道测量段(4)的材质为透明有机玻璃。
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