CN113281002A - 一种流场测量系统和流量波动工况下瞬态流场的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流场测量系统和一种流量波动工况下瞬态流场的测量方法。流场测量系统包括高速相机、数据存储计算机、大功率连续激光器、脉冲信号发生器、远心镜头等，高速相机可实现流场的高频测量，连续激光器可为测量区域提供连续的激光照射，远心镜头消除了透视误差提高了测量精度。脉冲信号发生器向高速相机发出脉冲控制信号，高速相机接收脉冲信号后拍摄特定数量的图像，针对流量波动工况下的流场测量，首先将流量波动工况划分为多个相位，调节脉冲信号发生器的输出频率及高速相机接收信号后拍摄图像数量，长时间重复拍摄同一流量波动工况，确定每个相位的最佳样本数量，提取相同周期内同一相位内的图像进行湍流统计。

Description

一种流场测量系统和流量波动工况下瞬态流场的测量方法

技术领域

本发明涉及流体力学检测技术领域，具体涉及一种流场测量系统和一种流量波动工况下瞬态流场的测量方法。

背景技术

在核能领域，事故条件下导致堆芯流量波动，燃料组件内流动换热特性复杂多变，易引发传热恶化威胁堆芯安全。因此，研究流量波动下反应堆堆芯燃料组件内流动换热机理可以深入认识事故发展过程，为核电厂制定完善的事故应急策略提供技术支撑，对保障核电安全具有重要意义。

早期由于测量技术和研究手段的限制，针对反应堆内流动特性的研究主要集中于阻力特性的研究，缺乏反应堆内部细节流场结构的研究。

近年来随流体力学测量技术的发展，多种先进流场测量技术被应用到复杂通道内细节流场的研究。

以粒子图像测速技术(PIV)为例，是一种全场、无干扰的流体力学测量技术，由于其独特测量优势，被逐渐应用到复杂通道的流场测量。现有PIV技术一般采用脉冲激光器配合跨帧相机测量流场，该系统拍摄频率较低，通常被限制在5Hz-30Hz之内，无法进行高时间分辨率的流场统计。针对定常流动，流场基本稳定，应用脉冲PIV系统长时间重复拍摄可获得足量数据开展流体湍流统计。但是，非定常流动工况下流量持续波动，流场随时间变化，低频脉冲PIV系统拍摄频率低获得图像数量有限，无法满足湍流统计要求。

发明内容

为改善上述技术问题至少之一，本发明第一方面的技术方案提供了一种流场测量系统。

本发明一个技术方案所提供的流场测量系统包括高速相机、脉冲信号发生器、数据存储计算机和连续激光器。

具体地，高速相机上安装有远心镜头，用于对流量波动工况下的瞬时流场进行拍摄；脉冲信号发生器与高速相机相连，高速相机用于根据脉冲信号发生器发射的脉冲信号频率控制拍摄速度；数据存储计算机与脉冲信号发生器相连，用于控制脉冲信号发生器输出脉冲信号，并与高速相机相连，用于接收高速相机拍摄的图像数据，并对图像数据进行分析，获取瞬时流场的波动情况；连续激光器用于为高速相机的流场拍摄提供连续照明及光强条件。

在上述技术方案的基础上，进一步地，流场测量系统还包括偏振镜头组，设置在连续激光器的前方，用于将连续激光器的发射光合成一束扇形面光源。

在上述技术方案的基础上，进一步地，连续激光器包括光学镜头组，光学镜头组用于消除激光片光在轴向和横向上的光强高斯分布。

在上述技术方案的基础上，进一步地，脉冲信号发生器输出的脉冲信号频率为4Hz，高速相机的拍摄速度为4000fps，像素为1024×1024pixels。

综上，本发明第一方面所提供的流场测量系统能够进行连续长时间的可视化测量。其中，高速相机用于实现流场的高频测量；大功率的连续激光器可为测量区域提供连续的激光照射，远心镜头消除了透视误差提高了测量精度。在测量试验过程中，高速相机处于随机触发模式下，脉冲信号发生器向高速相机发出脉冲控制信号，高速相机接收脉冲信号后拍摄特定数量的图像。这样，通过采用高速相机和大功率的连续激光器可以实现复杂流场连续高频拍摄，高速相机通过配备远心镜头，消除了透视误差的影响，降低了流体测量误差，高速相机通过配备脉冲发生器，脉冲发生器发出脉冲信号触发高速相机进行拍摄，可以有效降低拍摄图像数量，减少内存，实现长时间测量，连续激光器配备特定的光学镜头组，消除了激光片光在轴向和横向上的光强高斯分布，进一步提升了该系统的测量精度。

本发明第二方面的技术方案提供了一种流量波动工况下瞬态流场的测量方法，使用第一方面的任一技术方案中的流场测量系统，测量方法包括：步骤S1，在流场中加入示踪粒子；步骤S2，获取流量波动工况的工况周期，通过高速相机拍摄多个工况周期内均具有示踪粒子的图像，其中，根据脉冲信号发生器输出的脉冲信号，在每次脉冲信号触发后拍摄多张图像，单个工况周期内触发多次脉冲信号；步骤S3，将单一工况周期按脉冲信号的频率分为多个连续相位，从每个工况周期内同一相位的图像中提取示踪粒子的速度信息和位置信息；步骤S4，根据示踪粒子的速度信息和位置信息获取示踪粒子在水平方向和竖直方向上的瞬时速度波动幅值，并根据瞬时速度波动幅值得到流量波动工况下的流场湍流波动数据。

由于本发明第二方面的技术方案所提供的流量波动工况下瞬态流场的测量方法使用了第一方面的技术方案中的流场测量系统，因此，具有上述技术方案的全部有益效果，不再赘述。

本技术方案所提供的流量波动工况下瞬态流场的测量方法针对流量波动工况下的流场测量，首先将流量波动工况划分为多个相位，调节脉冲信号发生器的输出频率及高速相机接收信号后拍摄图像数量，长时间重复拍摄同一流量波动工况，确定每个相位的最佳样本数量，提取相同周期内同一相位内的图像进行湍流统计，以实现非定常流量波动工况下复杂流道内流场的连续高频测量。

在上述技术方案的基础上，进一步地，步骤S4包括：

步骤S41，以坐标位置(x，y)表示示踪粒子的位置信息；

步骤S42，将示踪粒子的速度信息分解为水平方向和竖直方向上的速度分量，分别用u、v表示，并根据每个工况周期内同一相位的示踪粒子的速度分量获取示踪粒子在每个相位的平均速度值u(x，y，φ)、v(x，y，φ)，其中，u(x，y，φ)表示水平方向上的速度，v(x，y，φ)示垂直方向上的速度，φ表示相位编号；

步骤S43，获取示踪粒子的瞬时速度分量，根据瞬时速度分量和平均速度值，通过计算得到示踪粒子的瞬时速度波动幅值：

u_i′(x，y，φ)＝u_i(x，y，φ，i)-u(x，y，φ)

v_i′(x，y，φ)＝v_i(x，y，φ，i)-v(x，y，φ)

其中，(x，y)表示示踪粒子的坐标位置，i表示图像的编号，u_i(x，y，φ，i)表示第i个图像中的示踪粒子在第φ个相位的水平方向上的瞬时速度，v_i(x，y，φ，i)表示第i个图像中的示踪粒子在第φ个相位的垂直方向上的瞬时速度；

步骤S44，根据瞬时速度波动幅值通过计算得到流量波动工况下的流场湍流波动数据：

其中，N为图像的数量。

流量波动工况引起流场的瞬时波动，由于定常流动下速度和湍流强度计算方法不再适用于流动波动工况，本技术方案采用另一种统计方式计算流场，即针对周期性流量波动的非定常流动工况，需长时间重复拍摄这组流量波动工况，确定工况周期，将单一周期划分为多个连续相位，集合每个周期内同一相位的数据，以获得足量数据进行湍流统计，这样通过该湍流统计方式，可以获得流量波动工况下的流场湍流波动情况，为流量波动条件下复杂通道内瞬时流场的湍流统计提供新途径。

在上述技术方案的基础上，进一步地，步骤S3包括：

步骤S31，将单一工况周期按脉冲信号的频率分为多个连续相位；

步骤S32，根据图像，获取每个工况周期下的同一相位的流场偏差，选取流场偏差较小的相位作为样本；

步骤S33，从样本中提取示踪粒子的速度信息和位置信息。

本技术方案通过对比同一相位之间的流场偏差，在连续相位中选择最具有代表性的样本，使得数据更加精确。

在上述技术方案的基础上，进一步地，在步骤S32中，样本的数量为多个。

在上述技术方案的基础上，进一步地，脉冲信号频率为4Hz，每次被脉冲信号触发后拍摄图像的数量为100张。

综上，本发明所提供的流量波动工况下瞬态流场的测量方法通过使用流场测量系统，通过脉冲发生器与高速相机配合使用，实现了流场的长时间高频拍摄，这样，通过长时间重复拍摄流量波动工况，获取了足够进行分析的数据，并选取最具有代表性的样本，对流量波动工况下的瞬时流场湍流特性的研究，具有很大的使用价值。尤其，该测量方法能够用于核能领域，通过研究流量波动下反应堆堆芯燃料组件内流动换热机理，为核电厂制定完善的事故应急策略提供技术支撑，有助于提高保障核电安全性。

附图说明

图1为本发明一个实施例中的流场测量系统的结构示意图。

图2为远心镜头原理。

图3为本发明一个实施例中的流量波动工况下瞬态流场的测量方法的流程框图。

其中，图1中的部件名称与附图标记之间的关系为：

1高速相机、2远心镜头、3脉冲信号发生器、4数据存储计算机、5连续激光器、6激光光源、7偏振镜头组。

具体实施方式

下面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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明的一些实施例提供了一种流场测量系统。

如图1所示，本实施例所提供的流场测量系统包括高速相机、数据存储计算机、连续激光器、脉冲信号发生器、远心镜头。

其中，高速相机可实现流场的高频测量，大功率连续激光器可为测量区域提供连续的激光照射，远心镜头消除了透视误差提高了测量精度。流场测量过程中，高速相机处于随机触发模式下，脉冲信号发生器向高速相机发出脉冲控制信号，高速相机接收脉冲信号后拍摄特定数量的图像。数据存储计算机与脉冲信号发生器相连，控制脉冲信号发生器输出脉冲信号，数据存储计算机与高速相机相连，接收高速相机拍摄的图像，并对图像进行数据分析，从而对流量波动工况下瞬态流场进行测量分析。

优选地，高速相机以1024×1024pixels全景拍摄时的最大拍摄速度为4000fps，可以实现流场高频拍摄。

具体地，高速相机配备脉冲发生器，拍摄过程中脉冲发生器每秒发出固定频率的脉冲信号给高速相机，该固定频率根据流量波动工况下的一个完整周期的时长确定。

在一些具体实施例中，针对一个流量波动工况周期为10s的流动工况，脉冲信号频率为4Hz，高速相机的拍摄速度为4000fps，高速相机处于随机触发状态，每次被脉冲信号触发后拍摄图像100张，因此高速相机以每秒4000fps的拍摄速度拍摄400张图像。由于每秒拍摄图像数量较少，占用相机内存较少，如高速相机内存为64G，可以连续拍摄约160s，16个非稳态周期，为该测量系统的连续长时间高频测量提供了重要条件，通过脉冲发生器与高速相机配合使用，实现了流场的长时间高频拍摄。

大功率的连续激光器可以为高速相机的流场拍摄提供连续照明及足够的光强条件。通过偏振镜头组将激光器的发射光合成一束扇形面光源，且连续激光器配备消除高斯分布的光学镜头组，消除了激光片光在轴向和横向上的高斯分布，进一步提升了该系统的测量精度。试验过程中需要在循环工质(即流场)中加入一定浓度的、跟踪性和反光性良好的示踪粒子。这样，通过连续激光器照射示踪粒子，以便于高速相机捕捉图像。

另外，为消除透视误差对横截面流场测量引入的影响，高速相机的配备了远心镜头。远心镜头是为纠正传统镜头视差而设计，只允许平行入射的物方光线达到像平面成像，且在一定的物距范围内放大倍数恒定，不随景深变化而变化，无视差，原理图如图2所示。远心镜头的技术特点有效消除了垂直主流方向流场测量产生的透视误差，提升了流场测量的精度。

优选地，流场测量系统还包括激光光源，激光光源与连续激光器相连，用于供电。

本发明的一些实施例提供了一种流量波动工况下瞬态流场的测量方法。

如图3所示，本实施例所提供的测量方法包括：

步骤S1，在流场中加入示踪粒子；

步骤S2，获取流量波动工况的工况周期，通过高速相机拍摄多个工况周期内均具有示踪粒子的图像，其中，根据脉冲信号发生器输出的脉冲信号，在每次脉冲信号触发后拍摄多张图像，单个工况周期内触发多次脉冲信号；

步骤S3，将单一工况周期按脉冲信号的频率分为多个连续相位，从每个工况周期内同一相位的图像中提取示踪粒子的速度信息和位置信息；

步骤S4，根据示踪粒子在该相位的速度信息和位置信息获取示踪粒子在水平方向和竖直方向上的瞬时速度波动幅值和速度平均值，并根据瞬时速度波动幅值和速度平均值获取该相位的总体标准偏差，作为流量波动工况下的流场湍流波动数据。

本领域技术人员可以理解的是，由流量波动工况引起流场的瞬时波动，定常流动下速度和湍流强度计算方法不再适用于流动波动工况，需采用另一种统计方法计算流场。为此，本发明的一个实施例进一步提供了计算流场的统计步骤，具体如下：

针对周期性流量波动的非定常流动工况，需长时间重复拍摄这组流量波动工况，确定工况周期，将单一周期划分为多个连续相位，集合每个周期内同一相位的数据，以获得足量数据进行湍流统计。对比不同样本数量的流场偏差，确定每个相位的数据后处理的最佳样本量，对最佳样本量内图像数据进行处理。数据处理过程中将速度分解为水平(u)和竖直(v)两个方向上的速度分量，湍流统计方法如下：

u_i′(x，y，φ)＝u_i(x，y，φ，i)-u(x，y，φ)

v_i′(x，y，φ)＝v_i(x，y，φ，i)-v(x，y，φ)

式中，(x，y)表示坐标位置，φ表示相位编号，ui和vi表示瞬时速度分量，u和v表示每个相位内平均速度值，u_i′和v_i′表示瞬时速度波动幅值。应用速度均方根表示每个相位内速度波动情况，表示如下：

通过该湍流统计方法，可以获得流量波动工况下的流场湍流波动情况，为流量波动条件下复杂通道内瞬时流场的湍流统计提供新途径。

下面通过举例说明“对比不同样本数量的流场偏差，确定每个相位的数据后处理的最佳样本量，对最佳样本量内图像数据进行处理”该部分内容。

在一些具体实施例中，流量波动工况周期为10s，在一段时间内通过高速相机拍摄这组流量波动工况，拍摄多个流量波动工况周期，将单一周期划分成多个连续相位。进行多次划分，例如进行三次划分，第一次将工况周期分成20个连续相位，第二次将工况周期分成30个连续相位，第三次将工况周期分成40个连续相位，对比三次划分后的流场偏差，在三次划分方式中进行选取，例如可以在次选取流场偏差值最小的一次划分出的连续相位作为样本。如第二次划分的流场偏差值最小，则在进行数据处理前将单一周期划分为30个连续相位，φ的取值为1至30，是连续的30个自然数。

在另外一些具体实施例中，流量波动工况周期为10s，在一段时间内通过高速相机拍摄这组流量波动工况，拍摄多个流量波动工况周期，可以设为第一周期、第二周期等。设置脉冲信号频率为4Hz，即每秒拍摄4次，每个工况周期拍摄40次，相应地形成40个连续相位，上述公式中相位编号φ的取值范围为1至40。

将多个工况周期的同一相位的图像数据进行归类形成一组，这样一段时间内的图像数据形成40组，在这40组中挑选图像数据的差值较小的组作为样本。其中挑选的组的数量可以进行设置，比如挑选20组或30组，即按差值从小到大的顺序选出样本。再比如，通过设置差值的要求阈值，挑选出符合要求阈值的组作为样本。这样，挑选出的样本的相位编号φ的取值范围为1至40，对应40个连续相位中的一个，挑选出全部样本的相位编号可能是连续的，也可能是不连续的。

在一些实施例中，高速相机处于随机触发状态，每次被脉冲信号触发后拍摄图像100张，上述公式中i的取值范围为1至100。优选地，可以通过类似于上述方法挑选符合要求的图像i，确定每个相位的最佳样本数量，进一步优化样本。

综上，本发明提供了一种基于粒子图像测速技术的长时间连续高频的流场测量系统，能够实现非定常流量波动工况下复杂流道内流场的连续高频测量；同时提出一种适用于瞬时流场的湍流统计及分析方法，通过长时间重复拍摄流量波动工况，能够获取足够进行分析的数据，对流量波动工况下的瞬时流场湍流特性的研究，具有很大的使用价值。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种流场测量系统，其特征在于，包括：

高速相机，所述高速相机上安装有远心镜头，用于对流量波动工况下的瞬时流场进行拍摄；

脉冲信号发生器，与所述高速相机相连，所述高速相机用于根据所述脉冲信号发生器发射的脉冲信号频率控制拍摄速度；

数据存储计算机，与所述脉冲信号发生器相连，用于控制所述脉冲信号发生器输出脉冲信号，并与所述高速相机相连，用于接收所述高速相机拍摄的图像数据，并对图像数据进行分析，获取瞬时流场的波动情况；

连续激光器，用于为所述高速相机的流场拍摄提供连续照明及光强条件。

2.根据权利要求1所述的流场测量系统，其特征在于，还包括：

偏振镜头组，设置在所述连续激光器的前方，用于将所述连续激光器的发射光合成一束扇形面光源。

3.根据权利要求1所述的流场测量系统，其特征在于，

所述连续激光器包括光学镜头组，所述光学镜头组用于消除激光片光在轴向和横向上的光强高斯分布。

4.根据权利要求1所述的流场测量系统，其特征在于，

所述脉冲信号发生器输出的脉冲信号频率为4Hz，所述高速相机的拍摄速度为4000fps，像素为1024×1024pixels。

5.一种流量波动工况下瞬态流场的测量方法，其特征在于，使用如权利要求1至4中任一项所述的流场测量系统，所述测量方法包括：

步骤S1，在流场中加入示踪粒子；

步骤S2，获取流量波动工况的工况周期，通过高速相机拍摄多个工况周期内均具有示踪粒子的图像，其中，根据脉冲信号发生器输出的脉冲信号，在每次脉冲信号触发后拍摄多张图像，单个工况周期内触发多次脉冲信号；

步骤S3，将单一工况周期按脉冲信号的频率分为多个连续相位，从每个工况周期内同一相位的图像中提取示踪粒子的速度信息和位置信息；

步骤S4，根据示踪粒子的速度信息和位置信息获取示踪粒子在水平方向和竖直方向上的瞬时速度波动幅值，并根据瞬时速度波动幅值得到流量波动工况下的流场湍流波动数据。

6.根据权利要求5所述的流量波动工况下瞬态流场的测量方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

步骤S41，以坐标位置(x，y)表示示踪粒子的位置信息；

步骤S42，将示踪粒子的速度信息分解为水平方向和竖直方向上的速度分量，分别用u、v表示，并根据每个工况周期内同一相位的示踪粒子的速度分量获取示踪粒子在每个相位的平均速度值u(x，y，φ)、v(x，y，φ)，其中，u(x，y，φ)表示水平方向上的速度，v(x，y，φ)示垂直方向上的速度，φ表示相位编号；

步骤S43，获取示踪粒子的瞬时速度分量，根据瞬时速度分量和平均速度值，通过计算得到示踪粒子的瞬时速度波动幅值：

u_i′(x，y，φ)＝u_i(x，y，φ，i)-u(x，y，φ)

v_i′(x，y，φ)＝v_i(x，y，φ，i)-v(x，y，φ)

其中，(x，y)表示示踪粒子的坐标位置，i表示图像的编号，u_i(x，y，φ，i)表示第i个图像中的示踪粒子在第φ个相位的水平方向上的瞬时速度，v_i(x，y，φ，i)表示第i个图像中的示踪粒子在第φ个相位的垂直方向上的瞬时速度；

步骤S44，根据瞬时速度波动幅值通过计算得到流量波动工况下的流场湍流波动数据：

其中，N为图像的数量。

7.根据权利要求5或6所述的流量波动工况下瞬态流场的测量方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

步骤S31，将单一工况周期按脉冲信号的频率分为多个连续相位；

步骤S32，根据图像，获取每个工况周期下的同一相位的流场偏差，选取流场偏差较小的相位作为样本；

步骤S33，从样本中提取示踪粒子的速度信息和位置信息。

8.根据权利要求7所述的流量波动工况下瞬态流场的测量方法，其特征在于，在所述步骤S32中，所述样本的数量为多个。

9.根据权利要求7所述的流量波动工况下瞬态流场的测量方法，其特征在于，脉冲信号频率为4Hz，每次被脉冲信号触发后拍摄图像的数量为100张。

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