CN113341174A - 一种跨音速叶栅风洞piv测试设备测试方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于图像测速技术领域，公开了一种跨音速叶栅风洞piv测试设备测试方法及系统，将激光发射机安装在测试段正上方，在测试段出口安装反光镜，采用激光的反射原理，将激光机发出的激光反射至风洞的测试段出口，由测试段出口射入照亮叶栅，进行光学成像及图像处理，进而捕捉空气流场信息。本发明另辟蹊径，将激光发射机安装在测试段正上方，而在测试段出口安装反光镜，采用激光的反射原理，将激光从风洞的测试段出口射入，避免了在测试段上方采用透明装置直射引发的强度问题和在测试段出口直射对激光发射机的冲击问题。同时，本发明的设计结构巧妙，成本低、结构简单、性能好、使用方便。

Description

一种跨音速叶栅风洞piv测试设备测试方法及系统
技术领域
本发明属于图像测速技术领域，尤其涉及一种跨音速叶栅风洞piv测试设备测试方法及系统。
背景技术
目前，在风洞实验研究领域，空气流体的运动速度是极为关键的研究参数，准确把握空气流体运动速度信息，对分析流体运动特性是至关重要的。以往的的单点速度测量方法，已经不能满足获取流场整体信息的需求，伴随着光学及计算机技术的不断发展，PIV测量速度技术应用而生，并在风洞流场测量中得到广泛应用。
1、PIV系统的组成：
PIV系统一般包括以下五部分：图像采集系统(CCD相机)，光源照明系统(激光发生器)，计算机工作站及相关数据处理软件系统，同步器装置，示踪粒子发生器装置。
2、系统工作原理：
PIV粒子图像测速系统，被广泛应用于风洞气态流场的测量，能够准确把握空气流场整体的动态速度信息。PIV系统主要利用示踪粒子在空气流场中良好的跟随性，并且具有良好的反光性能(一般采用激光片光照射)，同时借用高频相机的拍摄和图片处理技术，来实现对空气流场中动态速度信息的捕获。激光发生器与图像采集系统，通过同步器与计算机相连，调节采样频率，使得高频相机拍摄于光源脉冲同步以获得示踪粒子图像，在很短的时间间隔内(通常以微妙为单位计量)系统高速采集到两张相关的示踪粒子图像，在同一坐标系下通过图像处理算法，将互为相关的粒子移动位置做算法处理，经过计算可得出该示踪粒子的运动矢量信息，即速度的大小及方向。而空气流场中以高密度分布的粒子跟随流场运动，可以充满整个流场空间，从而可得出空气流场整体的运动场信息。
PIV(Partical Image Velocimetry即粒子图像测速技术，应用光学成像原理及图像处理技术捕捉流场信息，具有非介入、高分辨率的特点，避免了对所测空气流场的干扰，同时也能够实现全流场的瞬态测量。经过多年发展，PIV技术已适用于风洞流场的定性及定量测量分析研究。作为测速技术中的先进测量方式，PIV系统的应用范围越来越广，而基于系统本身特性，在使用中也具有一定门槛，且设备费用较高，因此PIV系统能否用于风洞领域，如何正确使用就是一个值得探讨的问题。这都需要研究人员对PIV系统具有较为全面的认识，同时对其设计方式、操作技术及过程中的影响因素等问题提前进行了解。
近几年来，非接触式瞬态流场测速技术PIV已经克服了接触式单点测量设备的局限性，无干扰地获得叶栅槽道瞬时速度场、涡量场等，成为研究叶栅流场的一种先进测试手段。虽然国内外在叶栅流场PIV测试技术研究方面已取得了卓著的成绩，但由于PIV技术比较复杂，影响测试结果因素比较多，如示踪粒子的选取与播撒、激光片光与CCD的布局等，都会影响所测流场的准确性，国内在高速风洞中开展的PIV应用研究较少。
一般的设计方案采用从叶栅下游即试验段出口处逆向打光，为减小叶栅出口的气流对光学部件的冲击力，打光方向适当避开气流的方向，并确保激光片光与待测截面重合。由于采用单CCD对叶栅中截面槽道及其下游尾迹速度场进行二维速度场测量，因此要求CCD拍照方向与激光片光严格垂直。但是，该结构存在以下问题，从叶栅下游即试验段出口处逆向打光，虽然为了减小叶栅出口气流对光学部件的冲击力，让打光方向适当避开气流方向，但是在测试段出口激光发射装置仍然受到不小的冲击，时间久了会对装置的性能造成严重的破坏。
另外，还有的装置在风洞正上方开一个通道，并装上一个透明的挡板，让激光直接从上方照亮叶栅，这种设计方法虽然解决了气流对激光发射装置的冲击，但是由于在原本结构上进行开口，会对测试段的强度造成不可忽略的影响；更为关键的是，由于安装了透明挡板，不可避免地会有光的损失，进而会引发测量的灵敏度与精确度。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)由于PIV技术比较复杂，影响测试结果因素比较多，如示踪粒子的选取与播撒、激光片光与CCD的布局等，都会影响所测流场的准确性，国内在高速风洞中开展的PIV应用研究较少。
(2)由于采用单CCD对叶栅中截面槽道及其下游尾迹速度场进行二维速度场测量，因此要求CCD拍照方向与激光片光严格垂直；同时，在测试段出口激光发射装置仍然受到气流的冲击，时间久了会对装置的性能造成严重的破坏。
(3)现有在风洞正上方开一个通道，并装上一个透明的挡板，让激光直接从上方照亮叶栅的设计方法，由于在原本结构上进行开口，会对测试段的强度造成不可忽略的影响；更为关键的是，由于安装了透明挡板，不可避免地会有光的损失，进而会引发测量的灵敏度与精确度。
解决以上问题及缺陷的意义在于：
(1)可以避免对原始结构的处理，从而避免对测试段强度造成破坏；
(2)降低发射光源的损失，提高风洞PIV测量流场测量的灵敏度与精确度，提高效果的准确性；
(3)在风洞流场测试过程中，保护激光发射装置避免受到气流冲击，提高测试装置的使用安全性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种跨音速叶栅风洞piv测试设备测试方法及系统。
本发明是这样实现的，一种跨音速叶栅风洞piv测试设备测试方法，所述跨音速叶栅风洞piv测试设备测试方法包括：
将激光发射机安装在测试段正上方，在测试段出口安装反光镜，采用激光的反射原理，将激光机发出的激光反射至风洞的测试段出口，由测试段出口射入照亮叶栅，进行光学成像及图像处理，进而捕捉空气流场信息。
进一步，所述激光的发射角度可以根据所需要测试流场的角度、位置、范围进行手动调整，可根据不同的叶栅调整相适应的发射角。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的跨音速叶栅风洞piv测试设备测试方法的跨音速叶栅风洞piv测试设备设计系统，所述跨音速叶栅风洞piv测试设备设计系统，包括激光反射及调节系统。包括反射镜安装架、激光机放置架、可旋支板、底部安装架和调节手轮。
进一步，所述激光反射及调节系统安装在测试段正上方，由底部安装架固定，激光机安装在上部可绕支板轴旋转的放置架上，通过后方的调节手轮，调节放置架的角度，从而调节激光的发射角度；最前方设计反光镜安装架，安装的反光镜可以将激光机发出的激光进行反射至测试段出口，由测试段出口进入照亮叶栅，进行光学成像及图像处理，进而捕捉空气流场信息。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
将激光发射机安装在测试段正上方，在测试段出口安装反光镜，采用激光的反射原理，将激光机发出的激光反射至风洞的测试段出口，由测试段出口射入照亮叶栅，进行光学成像及图像处理，进而捕捉空气流场信息。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
将激光发射机安装在测试段正上方，在测试段出口安装反光镜，采用激光的反射原理，将激光机发出的激光反射至风洞的测试段出口，由测试段出口射入照亮叶栅，进行光学成像及图像处理，进而捕捉空气流场信息。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的跨音速叶栅风洞piv测试设备设计系统。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的跨音速叶栅风洞piv测试设备测试方法另辟蹊径，提供了一种计算机设备，一种计算机可读存储介质以及信息数据处理终端，一种跨音速叶栅风洞piv测试设备测试方法与测试系统，将激光发射机安装在测试段正上方，而在测试段出口安装反光镜，采用激光的反射原理，将激光从风洞的测试段出口射入，避免了在测试段上方采用透明装置直射引发的强度问题和在测试段出口直射对激光发射机的冲击问题。本设计结构巧妙，成本低、结构简单、性能好、使用方便，克服了在PIV光学风洞流场测试行业内，测试成本高，效果不明显的问题。
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中所需要使用的附图做简单的介绍，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是本发明实施例提供的跨音速叶栅风洞piv测试设备测试方法流程图。
图2是本发明实施例提供的激光反射架的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的跨音速叶栅风洞piv测试设备设计系统原理图。
图4是本发明实施例提供的轴承座的结构示意图。
图5是本发明实施例提供的丝杆螺母的结构示意图。
图6是本发明实施例提供的丝杆底座的结构示意图。
图7是本发明实施例提供的双轴承底座安装型轴承座组件示意图。
图8是本发明实施例提供的反光镜支架的结构示意图。
图9是本发明实施例提供的固定在测试段的架体示意图。
图10是本发明实施例提供的带滑块导轨SS承轨式直线轴承的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种跨音速叶栅风洞piv测试设备测试方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的跨音速叶栅风洞piv测试设备测试方法，包括以下步骤：
S101，将激光发射机安装在测试段正上方，在测试段出口安装反光镜；
S102，采用激光反射原理，将激光机发出的激光反射至风洞的测试段出口；
S103，由测试段出口射入照亮叶栅，进行光学成像及图像处理，进而捕捉空气流场信息。
下面结合实施例对本发明作进一步描述。
本发明设计了一个独特的激光反射及调节系统，如图2所示。
整个装置安装在测试段正上方，由底部安装架1固定，激光机安装在上部可绕支板轴5旋转的激光机放置架2上，通过后方的调节手轮3，调节激光机放置架2的角度，从而调节激光的发射角度。最前方设计了一个反光镜安装架4，安装的反光镜可以将激光机发出的激光进行反射至测试段出口，由测试段出口进入照亮叶栅，进行光学成像及图像处理，从而捕捉空气流场信息。
本设计方法另辟蹊径，将激光发射机安装在测试段正上方，而在测试段出口安装反光镜，采用激光的反射原理，将激光从风洞的测试段出口射入，避免了在测试段上方采用透明装置直射引发的强度问题和在测试段出口直射对激光发射机的冲击问题。本设计结构巧妙，成本低、结构简单、性能好、使用方便。
综上，本装置另辟蹊径，利用光的反射，既避免对激光发射装置的直接冲击，又减少光的损失，图3为该装置的基本原理。
本发明的特点在于，激光的发射角度可以调整，因此可以根据不同的叶栅调整相适应的发射角，更准确的照亮示踪粒子，故本装置在进行跨音速风洞速度场测量时有很大优势。
本发明实施例提供的跨音速叶栅风洞piv测试设备设计系统的具体结构设置见图4-图10。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种跨音速叶栅风洞piv测试设备测试方法，其特征在于，所述跨音速叶栅风洞piv测试设备测试方法包括：
将激光发射机安装在测试段正上方，在测试段出口安装反光镜，采用激光的反射原理，将激光机发出的激光反射至风洞的测试段出口，由测试段出口射入照亮叶栅，进行光学成像及图像处理，并捕捉空气流场信息。
2.如权利要求1所述跨音速叶栅风洞piv测试设备测试方法，其特征在于，所述激光的发射角度可以根据所需要测试流场的角度、位置、范围进行手动调整，根据不同的叶栅调整相适应的发射角。
3.一种应用如权利要求1～2任意一项所述跨音速叶栅风洞piv测试设备测试方法的跨音速叶栅风洞piv测试设备设计系统，其特征在于，所述跨音速叶栅风洞piv测试设备设计系统，包括激光反射及调节系统；包括反射镜安装架、激光机放置架、可旋支板、底部安装架和调节手轮。
4.如权利要求3所述跨音速叶栅风洞piv测试设备设计系统，其特征在于，所述激光反射及调节系统安装在测试段正上方，由底部安装架固定，激光机安装在上部可绕可旋支板旋转的激光机放置架上，通过后方的调节手轮，调节激光机放置架的角度，从而调节激光的发射角度；最前方设计反光镜安装架，安装的反光镜可以将激光机发出的激光进行反射至测试段出口，由测试段出口进入照亮叶栅，进行光学成像及图像处理，捕捉空气流场信息。
5.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
将激光发射机安装在测试段正上方，在测试段出口安装反光镜，采用激光的反射原理，将激光机发出的激光反射至风洞的测试段出口，由测试段出口射入照亮叶栅，进行光学成像及图像处理，进而捕捉空气流场信息。
6.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
将激光发射机安装在测试段正上方，在测试段出口安装反光镜，采用激光的反射原理，将激光机发出的激光反射至风洞的测试段出口，由测试段出口射入照亮叶栅，进行光学成像及图像处理，进而捕捉空气流场信息。
7.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求3～4任意一项所述跨音速叶栅风洞piv测试设备设计系统。
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蒙泽威等: "三维内收缩式进气道V形溢流口热流计算与分析", 《推进技术》, vol. 39, no. 8, 22 June 2018 (2018-06-22) *

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115824566A (zh) * 2023-02-21 2023-03-21 中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所 一种平面叶栅风洞piv实验光路布置方法

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