CN113092051B - 一种风洞试验动态压力和流场分布的测量系统和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于风洞试验技术领域，提供了一种风洞试验动态压力和流场分布的测量系统和测量方法。测量系统包括：试验模型、PIV系统、PSP系统、差压扫描阀、可调压腔、粒子发生器、压力调节器和校准腔，所述试验模型测试面上设置有所述多个测压孔，所述差压扫描阀设有测量端、参考端和校准端，所述测量端与所述多个测压孔连接，所述参考端与所述可调压腔连接，所述校准端与所述校准腔连接，所述粒子发生器和所述压力调节器均与所述校准腔连接。本发明的目的是提供一种更加准确的风洞试验动态压力和流场分布的测量系统。

Description

一种风洞试验动态压力和流场分布的测量系统和测量方法

技术领域

本发明涉及风洞试验技术领域，尤其是涉及一种风洞试验动态压力和流场分布的测量系统和测量方法。

背景技术

压敏涂料（PSP，Pressure Sensitive Paint）技术是一种获取模型表面压力分布的非接触测量方法，其利用发光涂层分子在特定波长激发光照下荧发光强度度随压力变化的现象，将压力大小转化为发光强度信息后再进行图像处理，计算出模型表面压力分布，具有空间分辨高、不受模型结构限制、不破坏模型表面流场、可实现大面积压力分布测量等优点。

粒子图像测速（PIV，Particle Image Velocimetry）技术是一种瞬态、多点、非接触式的激光流体力学测量方法，在待测流场中散布示踪粒子，以粒子速度代表其所在流场内相应位置处流体的运动速度；使用脉冲激光片光源入射到所测流场区域中，通过连续两次或多次曝光，将粒子的图像记录在PIV底片或CCD相机上；逐点处理PIV底片或CCD记录的图像，用图像分析技术（如光学杨式条纹法、自相关法或互相关法等）得到流场中各点的流速矢量，获得流场速度分布，并由此计算出其他运动参量。

目前，PSP和PIV两种技术基本都是单独使用的，即使联合使用，也是在不同时序上分别控制，并没有在时间上严格同步。而使用PSP和PIV同步测量模型表面压力分布和附近空间速度分布，对于揭示模型附近流场真实信息，具有十分重要意义。此外，两种技术同步使用，也可有效提升试验效率。

中国发明专利CN108120583A公开了一种用于测量高超声速风洞试验动态压力和空间流场的装置，包括：同步器、PIV系统、PSP系统、动态采集系统，动态压力传感器。该装置存在以下问题：一方面， PIV的示踪粒子会在一定程度上造成空间遮挡，进而会对PSP发光强度图像获取产生严重影响，最终严重影响PSP测量的准确性；另一方面PIV激光片光也会对PSP荧光激发造成干扰，使得模型表面PIV片光照射区域的PSP测量不准确。

综上所述，现有技术存在如下技术问题：

1．现有技术中PSP和PIV两种技术的联合使用，只是在不同时序上对两种技术实现分别控制，无法实现在时间上同时控制两种技术；

2．现有技术中PSP和PIV不能同步使用是由于： PIV的示踪粒子会在一定程度上造成空间遮挡，进而会对PSP发光强度图像获取产生严重影响，最终严重影响PSP测量的准确性；同时，PIV激光片光也会对PSP荧光激发造成干扰，使得模型表面PIV片光照射区域的PSP测量不准确；

现有技术中PSP和PIV不能同步使用，但使用PSP和PIV同步测量模型表面压力分布和附近空间速度分布，对于揭示模型附近流场真实信息，具有十分重要意义，急需提供一种能够使PSP和PIV在时间上同步测量的测量模型和系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种更加准确的风洞试验动态压力和流场分布的测量系统和测量方法。

本发明提供了一种风洞试验动态压力和流场分布的测量系统，包括：试验模型、PIV系统、PSP系统、差压扫描阀、可调压腔、粒子发生器、压力调节器和校准腔，其中，

所述PIV系统和所述PSP系统均设置于所述试验模型测试面一侧，所述试验模型测试面上设置有多个测压孔，

所述差压扫描阀设有测量端、参考端和校准端，所述测量端与所述多个测压孔连接，所述参考端与所述可调压腔连接，所述校准端与所述校准腔连接；

所述粒子发生器和所述压力调节器均与所述校准腔连接。

进一步的，所述PIV系统包括：PIV激光器，PIV相机和PIV粒子发生装置，所述PIV激光器的发射端面向所述试验模型测试面设置，所述PIV激光器出光形成片光区域，所述PIV相机的摄像头面向所述片光区域设置，所述PIV粒子发生装置的发射端面向所述片光区域设置。

进一步的，所述PSP系统包括：PSP激光器，PSP相机，所述PSP激光器的发射端和所述PSP相机的摄像头均面向所述试验模型测试面设置，所述PSP激光器的出光区域和所述PSP相机的拍摄区域均覆盖所述试验模型测试面。

进一步的，所述多个测压孔与所述片光区域重合，所述多个测压孔沿所述片光区域线性排列。

进一步的，所述试验模型测试面上设置有压敏涂料。

进一步的，所述校准腔内设置有压敏涂料和相机。

进一步的，所述可调压腔用于调节所述参考端的压力值，所述可调压腔内设置有压力传感器，所述压力调节器用于调节所述校准腔的压力。

进一步的，所述试验模型位于风洞内，所述风洞内设置有粒子浓度传感器。

进一步的，还包括扫描阀主机和PC主机，所述扫描阀主机连接所述差压扫描阀和所述PC主机，所述PC主机连接所述扫描阀主机、所述粒子发生器和所述压力调节器。

本发明还提供了一种风洞试验动态压力和流场分布的测量方法，包括如下步骤：

布置所述风洞试验动态压力和流场分布的测量系统；

使所述风洞处于静止状态，测量所述可调压腔内的压力得到基准压力P _ref ；调节所述压力调节器直至所述校准腔的压差值达到预设值，拍摄所述校准腔内的压敏涂料，得到基准发光强度I _ref ；

运行所述风洞至风速稳定，同时开启PIV系统和PSP系统；通过PIV相机获得粒子速度和粒子浓度，得到流场速度分布；调节所述可调压腔内的压力，通过PSP相机获得所述试验模型测试面的压力分布：P ₁ 、P ₂ 、...、P _i 、...、P _n ，其中，i为第i次调节所述可调压腔，n为所述可调压腔内压力的变化次数；通过差压扫描阀获得所述多个测压孔的压差值为ΔP ₁ 、Δ P ₂ 、...、ΔP _j 、...、ΔP _m ，其中，j为第j个测压孔的压差值，m为所述多个测压孔总个数；根据所述多个测压孔的压差值调节所述校准腔内的压力；

根据公式

计算得到一定离子浓度下不同测试面的压力值P _i 所对应的发光强度I _i 、第一系数A、第二系数B和第三系数C；

根据所述发光强度I _i 和所述压差值ΔP _j 计算有粒子分布时所述试验模型测试面的压力分布。

综上所述，本发明至少具有如下技术效果：

1. 本发明通过在风洞试验模型的测试面设置多个测压孔，根据多个测压孔的测量数据及时调节PIV系统中粒子的发射速度和PSP系统中PSP相机的拍摄压力，从而在风洞实验中得到更加准确的动态压力和流场分布；

2. 本发明利用差压扫描阀实时测量的真实压力对PSP系统的压力进行标定，并通过设置校准腔，调节粒子发生器的粒子速度和压力调节器的压力值，使得PSP系统能够获得真实的发光强度，从而提高标定的准确性；

3. 本发明中始终将校准腔里的粒子浓度和风洞内的粒子浓度保持一致，避免了标定后PSP系统中的各项参数的偏差，有效克服了PIV系统中粒子对PSP系统的图像干扰问题；

4. 本发明将多个测压孔沿所述片光区域线性排列，使得试验模型表面的PIV片光区域的压力通过连接多个测压孔的差压扫描阀测量获得，从而将模型表面的真实压力反馈至扫描阀主机，扫描阀主机调节可调压腔和压力调节器，使得校准腔的压力与风洞内的压力保持一致；

5. 本发明的风洞内设置有粒子浓度传感器，在PIV系统中，用于采集PIV粒子发生装置喷洒的粒子浓度，并将所采集的粒子浓度反馈作用于粒子发生器，用于调节校准腔内的粒子浓度，从而使得校准腔内的粒子浓度与风洞内的粒子浓度保持一致；

6. 本发明首先通过PIV系统获得风洞内的流场速度分布，其次，所述发光强度I _i 和所述压差值ΔP _j 得到有粒子分布时所述试验模型110测试面的压力分布，其中，有粒子分布时所述试验模型110测试面的压力分布即风洞实验时试验模型流场内真实的压力分布，进而得到风洞试验中真实的动态压力和流场分布。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明中PSP系统、PIV系统和试验模型的示意图；

图2是本发明中试验模型测试面的示意图 ；

图3是本发明中风洞试验动态压力和流场分布的测量系统示意图；

图4是本发明中风洞试验动态压力和流场分布的测量方法的步骤示意图。

其中，110、试验模型，120、PIV系统，121、PIV激光器，122、PIV相机，123、片光区域，130、多个测压孔，140、PSP系统，141、PSP激光器，142、PSP相机，200、差压扫描阀，300、可调压腔，301、压力传感器，400、粒子发生器，500、压力调节器，600、校准腔，700、风洞，701、粒子浓度传感器，800、扫描阀主机，900、PC主机。

具体实施方式

以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"垂直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"等指示的方位或位置关系为基于附图所述的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接：可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

如图1、图2、图3所示，本发明实施例1提供了一种风洞试验动态压力和流场分布的测量系统，包括：试验模型110、PIV系统120、PSP系统140、差压扫描阀200、可调压腔300、粒子发生器400、压力调节器500和校准腔600，其中，

所述PIV系统120和所述PSP系统140均设置于所述试验模型110测试面一侧，所述试验模型110测试面上设置有多个测压孔130，

所述差压扫描阀200设有测量端、参考端和校准端，所述测量端与所述多个测压孔130连接，所述参考端与所述可调压腔300连接，所述校准端与所述校准腔600连接；

所述粒子发生器400和所述压力调节器500均与所述校准腔600连接。

所述试验模型110为飞行器、发动机或短舱中任意一种；所述可调压腔的内部压力可变，用于试验时将测压孔的压差值维持在扫描阀量程内；所述压力调节器用于调节校准腔的压力。

所述差压扫描阀用于测量可调压腔与测压孔的压力差，以及可调压腔与校准腔的压力差，利用差压扫描阀实时测量的真实压力对PSP系统的压力进行标定，并通过设置校准腔，调节粒子发生器的粒子速度和压力调节器的压力值，使得PSP系统能够获得真实的发光强度，从而提高标定的准确性。

本发明始终将校准腔里的粒子浓度和风洞内的粒子浓度保持一致，避免了标定后PSP系统中的各项参数的偏差，有效克服了PIV系统中粒子对PSP系统的图像干扰问题。

通过在风洞试验模型的测试面设置多个测压孔，根据多个测压孔的测量数据及时调节PIV系统中粒子的发射速度和PSP系统中PSP相机的拍摄压力，从而在风洞实验中得到更加准确的动态压力和流场分布。

进一步的，所述PIV系统120包括：PIV激光器121，PIV相机122和PIV粒子发生装置，所述PIV激光器121的发射端面向所述试验模型110测试面设置，所述PIV激光器121出光形成片光区域123，所述PIV相机122的摄像头面向所述片光区域123设置，所述PIV粒子发生装置的发射端面向所述片光区域123设置。

进一步的，所述PSP系统140包括：PSP激光器141，PSP相机142，所述PSP激光器141的发射端和所述PSP相机142的摄像头均面向所述试验模型110测试面设置，所述PSP激光器141的出光区域和所述PSP相机142的拍摄区域均覆盖所述试验模型110测试面。

进一步的，所述多个测压孔130与所述片光区域123重合，所述多个测压孔130沿所述片光区域123线性排列。将多个测压孔沿所述片光区域线性排列，使得试验模型表面的PIV片光区域的压力通过连接多个测压孔的差压扫描阀测量获得，从而将模型表面的真实压力反馈至扫描阀主机，扫描阀主机调节可调压腔和压力调节器，使得校准腔的压力与风洞内的压力保持一致。

进一步的，所述试验模型110测试面上设置有压敏涂料，所述校准腔600内设置有压敏涂料和相机，所述压敏涂料为压敏漆。

进一步的，所述可调压腔300用于调节所述参考端的压力值，使所述参考端与所述多个测压孔130的压差值满足差压扫描阀200的量程，所述可调压腔300内设置有压力传感器301，所述压力调节器500用于调节所述校准腔600的压力。

进一步的，所述试验模型110位于风洞700内，所述风洞700内设置有粒子浓度传感器701。

在PIV系统中，所述粒子浓度传感器701用于采集PIV粒子发生装置喷洒的粒子浓度，并将所采集的粒子浓度反馈作用于粒子发生器，用于调节校准腔内的粒子浓度，从而使得校准腔内的粒子浓度与风洞内的粒子浓度保持一致。

进一步的，还包括扫描阀主机800和PC主机900，所述扫描阀主机800连接所述差压扫描阀200和所述PC主机900，所述PC主机900连接所述扫描阀主机800、所述粒子发生器400和所述压力调节器500。

扫描阀主机800用于将差压扫描阀200、可调压腔300、校准腔600和多个测压孔130的压力值反馈给PC主机900，通过PC主机900控制粒子发生器400和压力调节器500中的粒子浓度和压力，从而使得校准腔内的粒子浓度和压力与风洞内的粒子浓度和压力保持一致。

实施例2：

如图4所示，本发明实施例2提供了一种风洞试验动态压力和流场分布的测量方法，包括如下步骤：

布置所述风洞试验动态压力和流场分布的测量系统；

使所述风洞700处于静止状态，测量所述可调压腔300内的压力得到基准压力P _ref ；调节所述压力调节器500直至所述校准腔600的压差值达到预设值，拍摄所述校准腔600内的压敏涂料，得到基准发光强度I _ref ；

运行所述风洞700至风速稳定，同时开启PIV系统120和PSP系统140；通过PIV相机122获得粒子速度和粒子浓度，得到流场速度分布；调节所述可调压腔300内的压力，通过PSP相机142获得所述试验模型110测试面的压力分布：P ₁ 、P ₂ 、...、P _i 、...、P _n ，其中，i为第i次调节所述可调压腔300，n为所述可调压腔300内压力的变化次数；通过差压扫描阀200获得所述多个测压孔130的压差值为ΔP ₁ 、ΔP ₂ 、...、ΔP _j 、...、ΔP _m ，其中，j为第j个测压孔130的压差值，m为所述多个测压孔130总个数；根据所述多个测压孔130的压差值调节所述校准腔600内的压力，所述校准腔的压差值为ΔP_c；

根据公式

计算得到一定离子浓度下不同测试面的压力值P _i 所对应的发光强度I _i 、第一系数A、第二系数B和第三系数C；

根据所述发光强度I _i 和所述压差值ΔP _j 计算有粒子分布时所述试验模型110测试面的压力分布。

本发明，首先通过PIV系统获得风洞内的流场速度分布；其次，通过调节所述调压腔300内的压力，获得多次调节后的所述试验模型110测试面的压力分布：P ₁ 、P ₂ 、...、P _i 、...、P _n ，结合基准压力P _ref 和基准发光强度I _ref ，获得一定离子浓度下的发光强度I _i ，其中通过差压扫描阀200获得所述多个测压孔130的压差值ΔP ₁ 、ΔP ₂ 、...、ΔP _j 、...、ΔP _m ，并调节所述校准腔600压力与所述压差值保持一致；最后，根据所述发光强度I _i 和所述压差值Δ P _j 得到有粒子分布时所述试验模型110测试面的压力分布。其中，有粒子分布时所述试验模型110测试面的压力分布即风洞实验时试验模型流场内真实的压力分布。

本发明的风洞试验动态压力和流场分布的测量系统能够获得风洞试验中准确且可靠的的动态压力和空间流场分布数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种风洞试验动态压力和流场分布的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

布置风洞试验动态压力和流场分布的测量系统，所述测量系统包括：试验模型（110）、PIV系统（120）、PSP系统（140）、差压扫描阀（200）、可调压腔（300）、粒子发生器（400）、压力调节器（500）和校准腔（600），所述PIV系统（120）和所述PSP系统（140）均设置于所述试验模型（110）测试面一侧，所述试验模型（110）测试面上设置有多个测压孔（130），所述差压扫描阀（200）设有测量端、参考端和校准端，所述测量端与所述多个测压孔（130）连接，所述参考端与所述可调压腔（300）连接，所述校准端与所述校准腔（600）连接；所述粒子发生器（400）和所述压力调节器（500）均与所述校准腔（600）连接；所述PIV系统（120）包括PIV相机（122），所述PSP系统（140）包括PSP相机（142）；

使风洞（700）处于静止状态，测量所述可调压腔（300）内的压力得到基准压力P _ref ；调节所述压力调节器（500）直至所述校准腔（600）的压差值达到预设值，拍摄所述校准腔（600）内的压敏涂料，得到基准发光强度I _ref ；

运行风洞（700）至风速稳定，同时开启PIV系统（120）和PSP系统（140）；通过PIV相机（122）获得粒子速度和粒子浓度，得到流场速度分布；调节所述可调压腔（300）内的压力，通过PSP相机（142）获得所述试验模型（110）测试面的压力分布：P ₁ 、P ₂ 、...、P _i 、...、P _n ，其中，i为第i次调节所述可调压腔（300），n为所述可调压腔（300）内压力的变化次数；通过差压扫描阀（200）获得多个测压孔（130）的压差值为ΔP ₁ 、ΔP ₂ 、...、ΔP _j 、...、ΔP _m ，其中，j为第j个测压孔（130）的压差值，m为所述多个测压孔（130）总个数；根据所述多个测压孔（130）的压差值调节所述校准腔（600）内的压力；根据公式

计算得到一定离子浓度下不同测试面压力值P _i 所对应的发光强度I _i 、第一系数A、第二系数B和第三系数C；

根据所述发光强度I _i 和所述压差值ΔP _j 计算有粒子分布时所述试验模型（110）测试面的压力分布。

2.一种风洞试验动态压力和流场分布的测量系统，其特征在于，采用如权利要求1所述的风洞试验动态压力和流场分布的测量方法，所述PIV系统（120）还包括：PIV激光器（121）和PIV粒子发生装置，所述PIV激光器（121）的发射端面向所述试验模型（110）测试面设置，所述PIV激光器（121）出光形成片光区域（123），所述PIV相机（122）的摄像头面向所述片光区域（123）设置，所述PIV粒子发生装置的发射端面向所述片光区域（123）设置。

3.如权利要求2所述的一种风洞试验动态压力和流场分布的测量系统，其特征在于，所述PSP系统（140）还包括：PSP激光器（141），所述PSP激光器（141）的发射端和所述PSP相机（142）的摄像头均面向所述试验模型（110）测试面设置，所述PSP激光器（141）的出光区域和所述PSP相机（142）的拍摄区域均覆盖所述试验模型（110）测试面。

4.如权利要求2所述的一种风洞试验动态压力和流场分布的测量系统，其特征在于，所述多个测压孔（130）与所述片光区域（123）重合，所述多个测压孔（130）沿所述片光区域（123）线性排列。

5.如权利要求2所述的一种风洞试验动态压力和流场分布的测量系统，其特征在于，所述试验模型（110）测试面上设置有压敏涂料。

6.如权利要求2所述的一种风洞试验动态压力和流场分布的测量系统，其特征在于，所述校准腔（600）内设置有压敏涂料和相机。

7.如权利要求2所述的一种风洞试验动态压力和流场分布的测量系统，其特征在于，所述可调压腔（300）用于调节所述参考端的压力值，所述可调压腔（300）内设置有压力传感器（301），所述压力调节器（500）用于调节所述校准腔（600）的压力。

8.如权利要求2所述的一种风洞试验动态压力和流场分布的测量系统，其特征在于，所述试验模型（110）位于风洞（700）内，所述风洞（700）内设置有粒子浓度传感器（701）。

9.如权利要求2-8任一项所述的一种风洞试验动态压力和流场分布的测量系统，其特征在于，还包括扫描阀主机（800）和PC主机（900），所述扫描阀主机（800）连接所述差压扫描阀（200）和所述PC主机（900），所述PC主机（900）连接所述扫描阀主机（800）、所述粒子发生器（400）和所述压力调节器（500）。

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