CN112179611A - 用于大型高速风洞piv示踪粒子产生及远程流量控制的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置。该装置包括控制指令输入及反馈系统、气源管路及压力调节系统、粒子发生器流量调节系统和粒子发生器；控制指令输入及反馈系统向气源管路及压力调节系统、粒子发生器流量调节系统发布远程控制指令，并接收气源管路及压力调节系统、粒子发生器流量调节系统的反馈信号；气源管路及压力调节系统用于调节粒子发生器的工作压力；粒子发生器流量调节系统用于调节粒子发生器的工作流量。该装置满足了大型高速风洞示踪粒子流场跟随性、光散射特性和浓度需求；实现了PIV试验过程中远程、高效、精确的示踪粒子浓度控制和调节，提高了试验数据质量，大幅降低了试验能耗和人力成本。

Description

用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置

技术领域

本发明属于高速风洞试验技术领域，具体涉及一种用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置。

背景技术

PIV技术是利用双脉冲激光照射到被测对象(比如风洞的气流)，在被测对象中撒播示踪粒子，获得连续的2幅粒子图像，利用互相关算法得到同一个示踪粒子位移，再除以2幅粒子图像的间隔时间，最终得到该示踪粒子速度矢量，计算粒子图像中所有的示踪粒子速度矢量，就获得了速度场。由于示踪粒子跟随被测对象运动，在示踪粒子能够真实跟随被测对象的前提下，获得的示踪粒子速度矢量也就可以认为是被测对象的速度。PIV试验中，示踪粒子的跟随性、光散射特性和浓度对试验数据质量起决定性作用。

示踪粒子的跟随性和光散射特性主要取决于示踪粒子材料的密度和示踪粒子的粒径，对于相同的示踪粒子材料，示踪粒子的粒径越小，跟随性就越好，数据可信度越高，但粒径太小会导致示踪粒子亮度变差，影响原始图像的信噪比；相反，示踪粒子的粒径越大，示踪粒子亮度越高，图像信噪比越好，但跟随性会变差。在进行示踪粒子发生器设计时，必须根据实际应用需求，选择合适的示踪粒子制备方法，保证示踪粒子在跟随性和光散射性方面取得一个良好的平衡。

目前，PIV试验研究主要集中在低速风洞，相比高速风洞，低速风洞运行时间长，风速较低，示踪粒子发生和流量控制难度相对较低。高速风洞方面，主要集中在小尺寸研究性高速风洞，该类风洞试验段流量小，对示踪粒子发生量要求较低，市面上的小型商用粒子发生器即可满足粒子浓度需求；同时，由于小尺寸研究性高速风洞能耗小，调试成本低，示踪粒子浓度调节速度和准确度要求不高，因此，多采取手动方式现场调节示踪粒子浓度。

随着飞行器研制需求的不断提高，越来越多的飞行器需要在大尺寸风洞中开展试验研究，大尺寸风洞的模型外形模拟更加真实，试验雷诺数高，更有利于还原飞行器真实流动状态。因此，在大型高速风洞中开展PIV试验研究的需求也越发迫切。

在大型高速风洞中开展PIV试验，还必须考虑示踪粒子材料对洞体的污染问题。高速流场中通常使用两类示踪粒子：一种是固态微粒，一种是液态微粒。固态微粒的优点在于粒径可控性好，粒径较小，具有良好的流动跟随性，同时光散射性极佳，图像信噪比很高。此外，固态微粒的物理特性也比较稳定可靠。固态微粒的缺点在于对风洞洞体的污染比较严重，特别是跨声速风洞结构形式比较复杂，跨声速风洞试验段外面通常还有一个大尺寸的驻室，试验段与驻室气流相通，固态微粒不仅会附着在风洞内流道表面，还会通过开孔壁或者开槽壁进入驻室内部。驻室内部通常放置有大量精密测试仪器和装置，无法接受大量固态微粒的附着污染。此外，固态微粒被吸入风洞操作人员体内，也会对健康造成伤害。因此，只能考虑液态示踪粒子。

液态示踪粒子有多种制备方法，其中包括超声雾化方法、Laskin喷嘴雾化方法等等。不同的制备方法采用的示踪粒子材料有所不同，产生的粒子粒径也有差别。通常，超声雾化产生的示踪粒子的粒径相对较大，其平均直径在3μm～10μm之间，比较适合低速流场的PIV试验；Laskin喷嘴对油性液体的雾化过程是将气流从直径为1mm的小孔中高速射入油性液体中，高速气流的剪切作用可产生大量直径1μm左右的液态微粒，液态微粒混合在气泡中浮出液体表面，由气流驱动进入风洞试验段。根据相关文献的结论，直径为1μm左右的液态粒子非常适合作为高速流动PIV测试的示踪粒子，其气流跟随性和光散射性都相对比较均衡。目前，市场上已经具有了比较成熟的产生直径为1μm左右的液态粒子的粒子发生器产品，但是单台粒子发生器的流量较小。另外，示踪粒子的浓度也是影响PIV数据质量的关键影响因素。在高速风洞中，PIV图像处理的推荐指标是每个计算窗口内的示踪粒子在3对～10对之间，浓度过低或者过高都不利于获得良好的计算结果。

大型高速风洞主要是暂冲式风洞，单次运行时间通常只有几十秒，单次运行过程中的试验马赫数变化往往在几秒内即可完成，手动方式现场调节示踪粒子浓度方式主要存在以下问题：(1)流场示踪粒子浓度监控现场与粒子发生器工作现场需要各派一个操作人员，口令式沟通效率低下。(2)粒子发生器工作现场的操作人员对流场中的粒子浓度变化情况缺乏感性认识，很难比较准确的量化调节参数，数据采集人员和粒子发生器工作现场的操作人员之间可能需要进行多次迭代操作，造成大型高速风洞大量气源浪费。(3)手动方式需要对大量阀门系统进行现场操作，操作效率低下，调节精度无法保证。

当前，亟需发展一种用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置。

本发明的用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置，其特点是，所述的装置包括控制指令输入及反馈系统、气源管路及压力调节系统、粒子发生器流量调节系统和粒子发生器；控制指令输入及反馈系统向气源管路及压力调节系统、粒子发生器流量调节系统发布远程控制指令，并接收气源管路及压力调节系统、粒子发生器流量调节系统的反馈信号；气源管路及压力调节系统用于调节粒子发生器的工作压力；粒子发生器流量调节系统用于调节粒子发生器的工作流量；

控制指令输入及反馈系统用于远程控制和现场控制，包括上位管理机和控制柜；控制柜的核心部分是PLC，PLC具有人机界面和相应的I/O模块，人机界面用于现场操作与信息显示，PLC接收来自上位管理机的指令，通过I/O模块对现场设备实施测量与控制，PLC的控制对象包括气动球阀、电动调压阀和电磁通断阀；

气源管路及压力调节系统包括依次安装在中压气源管路上的压力变送器Ⅰ、手动截止阀Ⅰ、气动球阀、电动调节阀和压力变送器Ⅱ；气源管路及压力调节系统接收来自控制指令输入及反馈系统的控制信号，将来自中压气源的压缩空气调节到设定值，达到驱动粒子发生器的工作压力；

粒子发生器流量调节系统包括M路并联的阀门移动车，每个阀门移动车包括顺序连接的手动截止阀Ⅱ、压力表、N组粒子发生器进气管路，第1组粒子发生器进气管路为示踪粒子排出驱动管路，包括顺序连接的电磁阀、压力变送器Ⅲ和手动球阀，第2组～第N组粒子发生器进气管路为Laskin喷嘴进气管路，包括顺序连接的电磁阀和手动球阀；M≥1，N≥1；

粒子发生器的示踪粒子排出驱动管路和Laskin喷嘴进气管路分别连接粒子发生器流量调节系统的粒子发生器进气管；粒子发生器的通过示踪粒子出口排出示踪粒子；粒子发生器还设置有安全保护装置，安全保护装置包括安全泄压阀和报警器。

进一步地，所述的上位管理机远程发送信号至PLC，或者控制柜上的人机界面发送信号至PLC，PLC独立控制气动球阀、电动调节阀、各电磁阀和安全保护装置，接收来自各压力变送器的压力值，并反馈至上位管理机；上位管理机指挥PLC进行闭环控制，直至来自中压气源的压缩空气的压力值达到设定值。

进一步地，所述的粒子发生器采用DEHS溶剂作为示踪粒子材料。

进一步地，所述的压力变送器Ⅰ、压力变送器Ⅱ和压力变送器Ⅲ均为压力传感器。

进一步地，所述的手动截止阀Ⅰ和手动截止阀Ⅱ为闸阀，具有开启和关闭两种工作状态。

进一步地，所述的气动球阀为快速阀，具有开启和关闭两种工作状态。

进一步地，所述的电动调节阀为减压阀。

进一步地，所述的电磁阀为快速通断阀。

进一步地，所述的手动球阀为球阀，具有开启和关闭两种工作状态。

本发明的用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置采用进口的DEHS溶剂作为示踪粒子材料，DEHS溶剂是PIV试验中广泛应用的一种示踪粒子材料，无色无毒带有黏性，相比常规的植物油，DEHS溶剂的物理和化学特性更加稳定，且有弱挥发性，对风洞的污染较小。

本发明的用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置中的手动截止阀为闸阀，试验过程中，手动截止阀处于常开状态，试验结束后手动关闭。手动截止阀Ⅰ主要起中压气源管路的安全防护作用，当需要对下游管路或者阀门进行检修时，需将手动截止阀Ⅰ关闭。每个Laskin喷嘴管路上安装一个手动截止阀Ⅱ，手动截止阀Ⅱ主要起Laskin喷嘴管路的安全防护作用和手动开启关闭Laskin喷嘴管路的作用，试验开始前，根据试验需要手动开启或关闭手动截止阀Ⅱ，试验结束后手动关闭所有的手动截止阀Ⅱ。

本发明的用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置中的气动球阀为快速阀，负责控制整个系统的气路通断。当接到来自PLC的指令后，气动球阀可在1s以内完成开启或者关闭。气动球阀为24V开关量控制，还设置有全开全关状态反馈。

本发明的用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置中的电动调节阀为减压阀，负责控制所有粒子发生器的工作压力，工作压力由上位管理机的软件界面输入，由PLC向电动调节阀发送控制指令。

本发明的用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置中的电磁阀是快速通断阀，每个Laskin喷嘴管路上安装一个电磁阀。试验中，通过点击上位管理机控制程序的电磁阀的图标，即可快速实现电磁阀的开闭，从而远程控制粒子发生器的供气流量和粒子生成量。

本发明的用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置中的压力变送器Ⅰ负责监测中亚气源压力；压力变送器Ⅱ负责监测电动调节阀的阀后压力；压力变送器Ⅲ负责监测粒子发生器罐体内的压力，当罐体内的压力超过设计上限时，上位管理机控制程序将自动关闭电磁阀。

本发明的用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置中的安全保护装置主要是安装在粒子发生器罐体顶部的安全泄压阀，当罐罐体内的压力超过0.8Mpa时，安全泄压阀自动打开泄压。

本发明的用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置能够满足2米量级大型跨声速风洞PIV试验所需的示踪粒子跟随性和光散射性要求，以及示踪粒子浓度需求，能够通过远程控制和现场控制，高效、精确的调节示踪粒子浓度及示踪粒子进气压力，还能够通过示踪粒子图像监控和示踪粒子浓度控制系统整合方式，实现了单个技术人员一边监控一边调节，达到了单个技术人员通过上位管理机的软件界面即可完成所有操作的自动化要求。本发明的用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置提高了大型高速风洞的PIV试验效率，节省了大型高速风洞气源，提高了经济效益。

附图说明

图1为本发明的用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置的总体结构图；

图2为本发明的用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置的控制结构图；

图3a为本发明的用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置获得的空风洞流场速度场图(马赫数0.4)；

图3b为本发明的用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置获得的空风洞流场速度场图(马赫数0.8)；

图4a为本发明的用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置获得的飞行器尾涡图(马赫数0.4)；

图4b为本发明的用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置获得的飞行器尾涡图(马赫数0.8)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

如图1所示，本发明的用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置包括控制指令输入及反馈系统、气源管路及压力调节系统、粒子发生器流量调节系统和粒子发生器；控制指令输入及反馈系统向气源管路及压力调节系统、粒子发生器流量调节系统发布远程控制指令，并接收气源管路及压力调节系统、粒子发生器流量调节系统的反馈信号；气源管路及压力调节系统用于调节粒子发生器的工作压力；粒子发生器流量调节系统用于调节粒子发生器的工作流量；

控制指令输入及反馈系统用于远程控制和现场控制，包括上位管理机和控制柜；控制柜的核心部分是PLC，PLC具有人机界面和相应的I/O模块，人机界面用于现场操作与信息显示，PLC接收来自上位管理机的指令，通过I/O模块对现场设备实施测量与控制，PLC的控制对象包括气动球阀、电动调压阀和电磁通断阀；

气源管路及压力调节系统包括依次安装在中压气源管路上的压力变送器Ⅰ、手动截止阀Ⅰ、气动球阀、电动调节阀和压力变送器Ⅱ；气源管路及压力调节系统接收来自控制指令输入及反馈系统的控制信号，将来自中压气源的压缩空气调节到设定值，达到驱动粒子发生器的工作压力；

粒子发生器流量调节系统包括M路并联的阀门移动车，每个阀门移动车包括顺序连接的手动截止阀Ⅱ、压力表、N组粒子发生器进气管路，第1组粒子发生器进气管路为示踪粒子排出驱动管路，包括顺序连接的电磁阀、压力变送器Ⅲ和手动球阀，第2组～第N组粒子发生器进气管路为Laskin喷嘴进气管路，包括顺序连接的电磁阀和手动球阀；M≥1，N≥1；

粒子发生器的示踪粒子排出驱动管路和Laskin喷嘴进气管路分别连接粒子发生器流量调节系统的粒子发生器进气管；粒子发生器的通过示踪粒子出口排出示踪粒子；粒子发生器还设置有安全保护装置，安全保护装置包括安全泄压阀和报警器。

进一步地，如图2所示，所述的上位管理机远程发送信号至PLC，或者控制柜上的人机界面发送信号至PLC，PLC独立控制气动球阀、电动调节阀、各电磁阀和安全保护装置，接收来自各压力变送器的压力值，并反馈至上位管理机；上位管理机指挥PLC进行闭环控制，直至来自中压气源的压缩空气的压力值达到设定值。

进一步地，所述的粒子发生器采用DEHS溶剂作为示踪粒子材料。

进一步地，所述的压力变送器Ⅰ、压力变送器Ⅱ和压力变送器Ⅲ均为压力传感器。

进一步地，所述的手动截止阀Ⅰ和手动截止阀Ⅱ为闸阀，具有开启和关闭两种工作状态。

进一步地，所述的气动球阀为快速阀，具有开启和关闭两种工作状态。

进一步地，所述的电动调节阀为减压阀。

进一步地，所述的电磁阀为快速通断阀。

进一步地，所述的手动球阀为球阀，具有开启和关闭两种工作状态。

实施例1

本实施例的压力变送器Ⅰ、压力变送器Ⅱ和压力变送器Ⅲ的的量程均为2.5Mpa。电动调节阀为江南阀门有限公司制造的不锈钢减压阀，型号为Yk43F-25P-DN125，压力调节范围为0～1.6Mpa。手动球阀为江南阀门有限公司制造的不锈钢球阀，型号为Q41W-25P-DN125，具有开启和关闭两种工作状态。

本实施例的工作过程如下：

a.大型高速风洞试验前，将气动球阀和电磁阀都处于关闭状态，手动开启手动截止阀和手动球阀；

b.根据试验马赫数估算试验段流量，在上位管理机的远程控制界面上预设粒子发生器的压力值和各电磁阀的通断状态；

c.启动大型高速风洞，待流场稳定后，上位管理机通过PLC控制气动球阀开启，实现整个气路与中压气源的连接，同时通过PLC将控制参数发送给电动调节阀和电磁阀；

电动调压阀调节粒子发生器的工作压力，电磁阀通断数量控制Laskin喷嘴管的数量；电磁阀开通数量越多，单位时间内示踪粒子的产生量越大，相应的粒子浓度就越高，当工作压力确定后，电磁阀开通数量与示踪粒子产生量成正比；

d.大型高速风洞的PIV采集界面进行实时拍摄，获得初步拍摄图像，通过初步拍摄图像观察测试区域的示踪粒子浓度，并进行判断；

如发现示踪粒子浓度偏低，则首先通过点击控制界面的电磁阀通断开关，打开更多的Laskin喷嘴管，提高示踪粒子产生量；在全部Laskin喷嘴管打开以后，示踪粒子浓度仍不能满足要求，则逐步提高粒子发生器的工作压力，直至拍摄效果满意；

如发现粒子浓度偏高，则通过设置电磁阀通断的方式，直接切断几组Laskin喷嘴管，减小示踪粒子产生量，或者采取减小粒子发生器的工作压力的方式减小示踪粒子浓度，直至拍摄效果满意；

e.进行正式的PIV图像采集；

f.PIV图像采集完成后，在上位管理机的软件界面点击结束按钮，PLC远程关闭气动球阀，切断粒子发生器供气，粒子发生器停止工作，同时PLC给电磁阀发关闭指令，将所有电磁阀置于关闭状态，等待下一个试验状态的启动指令；

g.所有试验状态完成后，手动关闭手动截止阀和手动球阀。

在步骤b中，如果电磁阀出现故障，则拆除电磁阀，通过手动球阀控制Laskin喷嘴管的通断。

本实施例的大型高速风洞为中国空气动力研究与发展中心的2.4米跨声速风洞。

图3a、图3b给出了使用本发明的用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置获得的装置调试时的空风洞流场速度场图片，试验马赫数分别为0.4、0.8。由图3a、图3b可见，流场中的示踪粒子浓度和亮度都比较理想，完全能够满足PIV数据处理的需求。

图4a、图4b给出了使用本发明的用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置获得的飞行器尾涡图，试验马赫数分别为0.4、0.8。由图4a、图4b可见，流场中的示踪粒子跟随性良好，能够显示出流场的细微结构。

试验结果表明，在马赫数0.3～马赫数0.9的范围内，PIV测速结果与风洞实际流速的最大偏差不超过3％，数据吻合度很好，表明了示踪粒子的跟随性良好，浓度合适。

Claims (9)

1.用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置，其特征在于，所述的装置包括控制指令输入及反馈系统、气源管路及压力调节系统、粒子发生器流量调节系统和粒子发生器；控制指令输入及反馈系统向气源管路及压力调节系统、粒子发生器流量调节系统发布远程控制指令，并接收气源管路及压力调节系统、粒子发生器流量调节系统的反馈信号；气源管路及压力调节系统用于调节粒子发生器的工作压力；粒子发生器流量调节系统用于调节粒子发生器的工作流量；

控制指令输入及反馈系统用于远程控制和现场控制，包括上位管理机和控制柜；控制柜的核心部分是PLC，PLC具有人机界面和相应的I/O模块，人机界面用于现场操作与信息显示，PLC接收来自上位管理机的指令，通过I/O模块对现场设备实施测量与控制，PLC的控制对象包括气动球阀、电动调压阀和电磁通断阀；

气源管路及压力调节系统包括依次安装在中压气源管路上的压力变送器Ⅰ、手动截止阀Ⅰ、气动球阀、电动调节阀和压力变送器Ⅱ；气源管路及压力调节系统接收来自控制指令输入及反馈系统的控制信号，将来自中压气源的压缩空气调节到设定值，达到驱动粒子发生器的工作压力；

粒子发生器流量调节系统包括M路并联的阀门移动车，每个阀门移动车包括顺序连接的手动截止阀Ⅱ、压力表、N组粒子发生器进气管路，第1组粒子发生器进气管路为示踪粒子排出驱动管路，包括顺序连接的电磁阀、压力变送器Ⅲ和手动球阀，第2组～第N组粒子发生器进气管路为Laskin喷嘴进气管路，包括顺序连接的电磁阀和手动球阀；M≥1，N≥1；

粒子发生器的示踪粒子排出驱动管路和Laskin喷嘴进气管路分别连接粒子发生器流量调节系统的粒子发生器进气管；粒子发生器的通过示踪粒子出口排出示踪粒子；粒子发生器还设置有安全保护装置，安全保护装置包括安全泄压阀和报警器。

2.根据权利要求1所述的用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置，其特征在于，所述的上位管理机远程发送信号至PLC，或者控制柜上的人机界面发送信号至PLC，PLC独立控制气动球阀、电动调节阀、各电磁阀和安全保护装置，接收来自各压力变送器的压力值，并反馈至上位管理机；上位管理机指挥PLC进行闭环控制，直至来自中压气源的压缩空气的压力值达到设定值。

3.根据权利要求1所述的用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置，其特征在于，所述的粒子发生器采用DEHS溶剂作为示踪粒子材料。

4.根据权利要求1所述的用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置，其特征在于，所述的压力变送器Ⅰ、压力变送器Ⅱ和压力变送器Ⅲ均为压力传感器。

5.根据权利要求1所述的用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置，其特征在于，所述的手动截止阀Ⅰ和手动截止阀Ⅱ为闸阀，具有开启和关闭两种工作状态。

6.根据权利要求1所述的用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置，其特征在于，所述的气动球阀为快速阀，具有开启和关闭两种工作状态。

7.根据权利要求1所述的用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置，其特征在于，所述的电动调节阀为减压阀。

8.根据权利要求1所述的用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置，其特征在于，所述的电磁阀为快速通断阀。

9.根据权利要求1所述的用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置，其特征在于，所述的手动球阀为球阀，具有开启和关闭两种工作状态。

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