CN113916493B - 一种变攻角下测量翼面特定区域流场和全局流场的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变攻角下测量翼面特定区域流场和全局流场的装置和方法本发明涉及一种基于PIV测速方法来测量变攻角下翼面特定区域流场和全局流场的试验装置和方法。该装置包括相机转动机构和翼型转动机构，将相机转动机构的电动转盘转动中心与翼型转动机构中的电动转盘转动中心对齐；再根据待测翼面特定区域距翼型转动中心的距离调节相机直线驱动单元内相机的位置，保证相机镜头和翼型待测特定区域距各自的转动中心的距离相同，达到同一空间上的共轴效果；最后利用同步控制器控制相机电动转盘和翼型攻角电动转盘完成相同角度的转动，确保相机和翼型在动态过程中保持相对静止，实现动态过程中对特定区域内流场的测量。此装置原理简单而实用，可以很好地解决模型变攻角下特定区域内流场和全局流场的PIV测量，大大提高了试验效率。

Description

一种变攻角下测量翼面特定区域流场和全局流场的装置和 方法

技术领域

本发明属于风洞试验技术领域，具体涉及一种变攻角下测量翼面特定区域流场和全局流场的装置和方法。

背景技术

风洞试验中，变攻角下的翼型表面特定区域内的流场动态测量，通常是找到合适的相机镜头视野大小，保证在动态过程中模型一直完整的处于相机视野之中，但这种测量具有局限性。当需要精确测量某一小范围区域的局部流场结构时，需要调节镜头集中放大某一区域的视场，如果翼型攻角发生一定量的变化，待测的局部区域不会完整的处于相机视野之中，导致待测区域测量的流场结构不完整。此外，在不同的攻角下测量放大后的全局流场情况时，以往的解决方法是在实验中调节相机镜头位置来完成每个截面的测量，这种方式虽然也能获得较为完整的流场信息，但在不同攻角下，相机所需要移动的距离不同，这样会导致试验效率低，并不快捷实用。因此设计一种变攻角下测量翼面特定区域流场和全局流场的装置和方法，使其能确保试验结果的准确性，又能提高试验效率的方法，是本领域技术人员迫待解决的技术问题。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种变攻角下测量翼面特定区域流场和全局流场的装置和方法，该方法不仅能方便快捷地测量变攻角下翼面特定区域内流场和全局流场，且测量得到的结果可靠性有保证。

为实现上述的目的，本发明采用以下技术方案：一种用以测量变攻角下翼面特定区域流场和全局流场的装置，包括相机转动机构和翼型转动机构。

更进一步地，所述的相机转动机构，包括通过螺栓连接在一起的相机(1)和相机底座(2)，相机直线驱动单元(3)以及相机电动转台(4)。相机直线驱动单元(3)和相机电动转台(4)通过螺栓连接固定，而相机(1)和相机底座(2)可根据试验的需求，在相机直线驱动单元(3)内移动，以改变相机镜头与相机电动转台之间的距离。所述的翼型转动机构中，翼型电动转台(5)与翼型端部的金属圆盘(8) 通过螺栓连接固定，保证金属圆盘(8)和翼型电动转台(5)同心，翼型电动转台转动角度即为翼型攻角的变化量。

更进一步地，所述的相机(1)和相机底座(2)在底部均有相对应的螺纹孔，可以通过螺栓将二者连接固定。所述的相机直线驱动单元(3)中心区域有对称的螺纹孔，相机直线驱动单元(3)可通过这些螺纹孔和相机电动转台(4)相连接。其中，相机直线驱动单元(3)中心处的较大螺纹孔所对应着相机电动转台(4)转动中心，相机直线驱动单元(3)和相机电动转台(4)连接后，相机电动转台(4)的转动中心也是相机直线驱动单元(3)的中心。

更近一步地，所述的相机直线驱动单元(3)上/下端面设计有相机滑槽滑口(12)，对应着相机底座(2)上/下端面上的螺纹孔，滑槽滑口中的螺栓可以将相机底座(2)和相机直线驱动单元(3)连接起来。

一种变攻角下测量翼面特定区域流场和全局流场的方法，包括如下步骤：

第一步：设计相机转动结构和翼型转动结构装置：

一种用于测量变攻角下翼面特定区域流场和全局流场的装置，相机转动机构和翼型转动机构分别位于翼型(9)的两侧。设计的相机转动机构，主要包括相机(1)，相机底座(2)，相机直线驱动单元(3) 以及相机电动转台(4)，其中相机电动转台(4)为电控转动圆盘。相机(1)，相机底座(2)以及相机直线驱动单元(3)被连接为一个整体安装在相机电动转台(4)上，相机电动转台(4)上的转盘可实现在XY面上转动，进而带动相机(1)一起在XY面内转动。

设计的翼型转动机构和相机转动机构类似：翼型端部的金属圆盘(8)中心对应翼型模型(9)弦长1/4 处位置。翼型电动转台(5)与翼型端部的金属圆盘(8)连接固定，其中，翼型电动转台(5)和相机电动转台(4)同样为电控转动台，二者通过同步器能完成同步转动工作。此外，设计的翼型端部连接的金属圆盘(8)圆心位置和电动转动盘圆心位置重合，当翼型电动转台(5)上的转盘在XY面上转动一个角度，翼型模型也能跟随转动相同角度，即为翼型攻角改变量。

第二步：模型与装置在风洞中的安装：

先将翼型和翼型转动机构进行安装：将翼型模型(9)两端安装上透明端板(13)，把整个模型水平放置于搭设好的铝型材搭设的框架上，并保证整个模型水平处于风洞(11)的中心区域处。在模型后端大约1米的位置处搭设PIV激光头(10)，调节激光头位置并保证激光片光和来流平行，且激光片光垂直于翼型翼面。

按上述方法安装完模型后，安装翼型转动机构：设计的翼型端部的金属圆盘(8)中心处连接有一垂直的镀铬钢棒，钢棒从翼型模型弦长1/4处位置横穿整个翼型模型(9)，整个翼型模型(9)垂直连接于金属圆盘(8)中心，金属圆盘(8)和翼型电动转台(5)转盘通过螺栓相连接，且金属圆盘(8)和翼型电动转台(5)转盘同心，翼型电动转台(5)转盘转动一定的角度即为金属圆盘(8)转动角度，也为翼型模型(9)攻角变化角度，以此达到变化攻角的目的。当翼型模型和翼型转动机构连接安装成为一个整体后，将翼型电动转台(5)圆盘和电动竖直坐标架(6)连接在一起并固定电动竖直坐标架(6)位置，即翼型和翼型转动机构安装完毕。

翼型模型和翼型转动机构安装完毕后，进行相机转动机构在风洞中的安装：

根据翼型和翼型转动机构安装位置，大致确定相机转动机构的位置和高度，先将相机(1)和相机底座(2)安装在相机直线驱动单元(3)内，并安装在相机电动转台(4)圆盘上。再将相机电动转台(4) 安装在电动竖直坐标架(6)上，最后将电动竖直坐标架(6)安装在电动水平坐标架(7)上，待安装完毕后，调节相机电动转台连接的电动竖直坐标架(6)和电动水平坐标架(7)，使相机电动转台高度位置和翼型表面平行，这样相机转动机构的大致位置就能确定。

第三步：模型和各装置之间的位置调整和设置

细调模型和各装置之间的位置，调整相机转动机构的位置，并构造相机和翼型模型待测区域在空间上共轴的方法：将激光水平仪(14)水平放置于翼型与相机转动机构中间，利用激光水平仪前后射出的激光线，一侧激光线对齐翼型内部的镀铬钢棒中心，另一侧激光线对准相机直线驱动单元(3)中心的六边形螺栓中心，以达到相机转动机构的转动中心和翼型模型转动中心同心的目的。这样就能保证相机转动机构、翼型、翼型转动机构三者转动中心位置上是同心关系。根据实验要求测量的翼面特定区域，大概确定待测区域中心与翼型转动中心的距离d，要构造相机和翼型模型待测区域在空间上共轴，需要确定相机直线驱动单元(3)中距离相机直线驱动单元(3)中心(六边形螺栓中心)为d的位置。利用这个原理，粗调整相机(1)在相机直线驱动单元(3)中的位置，使得相机镜头中心位置尽可能的和相机滑槽中心(六边形螺栓中心)距离为d。调节完毕后，在翼面特定区域放置刻度尺，确定特定区域刻度范围，打开相机(1)，驱动相机直线移动，待特定区域刻度范围完全进入相机视野后，固定并记录相机直线驱动单元(3)位置作为相机和翼型模型特定区域在空间上共轴位置。

为完成全局流场的测量，需在确定好相机和翼型特定区域的共轴位置后，进行相机直线驱动单元(3) 移动设置：从翼型前缘到后缘进行尺寸标定，并将全局流场均分为N个截面，记录每一个截面在待测特定区域的刻度范围，最后确定相机视野移过每个截面时相机直线驱动单元(3)所对应移动的距离并设置为相机直线驱动单元(3)最小移动距离。

本发明的主要优点在于：

1)本发明是设计思路是构建相机、模型空间上共轴旋转，保证相机和翼型模型在攻角变化过程中仍能相对静止，以满足对在变攻角下对翼型特定区域进行流场测量的要求。这种方法能克服在变攻角小范围的流场测量时，相机镜头视野不能一直锁定待测区域的问题，能大大提高类似试验的效率。

2)本装置满足了相机、模型在空间内共轴的设计思想，不需要构建复杂的相机、翼型模型联动连杆机构，所用的元器件都能方便的获得，大大节省了试验材料成本，且被所设计的机构并不会影响试验流场，保证待测流场的准确性。

3)对于变状态下局部和全局的流场测量，利用这种构建空间共轴，达到待测特定区域和相机之间的相对静止的思想，不但节省了试验中根据状态变化调整相机角度位置的试验时间，试验测量的精度也能得到保证。

附图说明

图1是本发明的安装主示意图

图2本发明的安装俯视示意图

图3是相机转动机构示意图

图4是翼型模型转动机构示意图

图5是相机和翼型模型的安装示意图

图6是相机测量标定示意图

附图中：

1、相机	2、相机底座	3、相机直线驱动单元
			4、相机电动转台	5、翼型电动转台	6、竖直坐标架
7.水平坐标架	8、金属圆盘	9、翼型模型
			10、激光头	11、风洞	12、相机滑槽滑口
13、透明端板	14、激光水平仪	15、电脑控制器
			16、电动转台同步器

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明进一步说明。

上述中提出的一种变攻角下测量翼面特定区域流场和全局流场的方法，设计出一套适用于动态测量翼型表面流场的装置，其具体结构如下：

一种用于变攻角下测量翼面特定区域流场和全局流场装置，如图1，2所示，相机转动机构和翼型转动机构分别位于翼型(9)的两侧。在相机转动机构中，如图3所示：主要包括相机(1)，相机底座(2)，相机直线驱动单元(3)以及相机电动转台(4)，其中相机电动转台(4)为电控转动圆盘，相机(1)，相机底座(2)以及相机直线驱动单元(3)被连接为一个整体安装在相机电动转台(4)上，相机电动转台(4)上的转盘可实现在XY面上转动，进而带动相机(1)一起在XY面内转动。

所述的翼型转动机构中，翼型电动转台(5)与翼型端部的金属圆盘(8)连接固定，其中，翼型电动转台(5)和相机电动转台(4)同样为电控转动台，二者通过同步器能完成同步转动工作。此外，设计的翼型端部连接的金属圆盘(8)圆心位置和电动转动盘圆心位置重叠，当翼型电动转台(5)上的转盘在XY 面上转动一个角度，翼型模型也能跟随转动相同角度，即为翼型攻角的改变角度。

本发明提出的一种用于变攻角下测量翼面特定区域流场和全局流场的方法，设计出一套适用于动态测量翼型表面流场的装置，各结构的连接关系如下：

所述的相机转动机构中，如图3所示：相机(1)底部增加了一个相机底座(2)用以将相机包裹起来，防止相机移动过程中受到损坏，二者作为一个整体，可以根据实验需要能在相机直线驱动单元内沿X方向前后移动。当确定好相机的拍摄位置后，可通过相机滑槽滑口(12)上、下的螺栓将相机安装在相机直线驱动单元(3)内，此时相机(1)，相机底座(2)以及相机直线驱动单元(3)三者成为一个转动整体。在设计相机直线驱动单元(3)时有设计与相机电动转台(4)圆盘上相对应的螺纹孔，其中相机直线驱动单元(3)中心位置设计有六角螺栓孔与相机电动转台(4)转盘的圆心位置相对应。当相机直线驱动单元 (3)和相机电动转台(4)同心连接后，相机电动转台(4)上的转盘转动一个角度，即相机(1)也跟着转动同一角度。

所述的翼型转动机构中，如图4所示：翼型端部连接的金属圆盘(8)圆心对应翼型模型(9)弦长1/4 处位置。与相机转动机构中的转动类似，设计的翼型端部的金属圆盘(8)上有与翼型电动转台(5)转盘连接的螺纹孔，其中翼型端部的金属圆盘(8)的圆心与翼型电动转台(5)上的转盘圆心重合，翼型电动转台(5)转盘转动的角度对应着翼型攻角的变化角度。此外，相机电动转台(4)和翼型电动转台(5) 均与各自的电动竖直坐标架(6)相连接，用于调节各自的位置。

本发明就是采用一种构造相机和翼型模型待测区域在空间上共轴的方法，来解决风洞试验中变攻角下翼面特定区域流场和全局流场测量困难的问题，具体操作步骤如下：

第一步：翼型和翼型转动机构的安装：

翼型的安装：如图1，2所示，在翼型模型(9)两端安装上透明端板(13)，把整个模型水平放置于搭设好的铝型材搭设的框架上，并保证整个模型水平处于风洞(11)的中心区域处。在模型后端大约1米的位置处搭设PIV激光头(10)，调节激光头位置并保证激光片光和来流平行，且激光片光垂直于翼型翼面。

按上述方法安装完模型后，安装翼型转动机构：设计的翼型端部的金属圆盘(8)中心处连接有一垂直的镀铬钢棒，钢棒从翼型模型弦长1/4处位置横穿整个翼型模型(9)，整个翼型模型(9)垂直连接于金属圆盘(8)中心。之后，金属圆盘(8)和翼型电动转台(5)转盘通过螺栓相连接，且金属圆盘(8) 和翼型电动转台(5)转盘同心。翼型电动转台(5)转盘转动一定的角度即为金属圆盘(8)转动角度，也为翼型模型(9)攻角变化量，以此达到变攻角的目的。当翼型模型和翼型转动机构连接安装成为一个整体后，将翼型电动转台(5)圆盘和电动竖直坐标架(6)连接在一起并固定将电动竖直坐标架(6)位置，即翼型和翼型转动机构安装完毕，

第二步：相机转动机构装置在风洞中的安装和设置：

根据翼型和翼型转动机构安装位置，大致确定相机转动机构的位置和高度。根据如图3所示，先将相机(1)和相机底座(2)安装在相机直线驱动单元(3)内，后将相机直线驱动单元(3)安装在相机电动转台(4)圆盘上，再将相机电动转台(4)安装于电动竖直坐标架(6)上，最后电动竖直坐标架(6)安装在电动水平坐标架(7)上。待安装完毕后，粗调电动竖直坐标架(6)和电动水平坐标架，调节坐标架X、Y方向，使相机电动转台高度位置在和翼型表面平行。

构造相机和翼型模型待测区域在空间上共轴的方法，如图5所示：将激光水平仪(14)水平放置于翼型与相机转动机构中间，利用激光水平前后射出的激光线，一侧激光线对齐翼型内部的镀铬钢棒中心，另一侧需要将相机直线驱动单元(3)中心的六边形螺栓中心对准另一侧激光线，以达到相机转动机构的转动中心和翼型模型转动中心同心的目的。这样就能保证相机转动机构、翼型、翼型转动机构三者转动中心位置上是同心关系。大概确定待测特定区域中心与翼型转动中心的距离d，要构造相机和翼型模型待测区域在空间上共轴，需要确定相机直线驱动单元(3)中距离相机直线驱动单元(3)中心(六边形螺栓中心)为d的位置。利用这个原理，粗调整相机(1)在相机直线驱动单元(3)中的位置，使得相机镜头中心位置尽可能的和相机滑槽中心(六边形螺栓中心)距离为d。调整完毕后，在翼面特定区域放置刻度尺，确定特定区域刻度范围，打开相机(1)，驱动相机直线移动，待特定区域刻度范围完全进入相机视野后，固定并记录相机直线驱动单元(3)位置为相机和翼型模型特定区域在空间上共轴位置。

为完成全局流场的测量，需在确定好相机和翼型特定区域的共轴位置后，进行相机直线驱动单元(3) 移动设置：从翼型前缘到后缘进行尺寸标定，并将全局流场均分为N个截面，确定每一个截面的对应的刻度范围，最后确定相机视野移过每个截面时相机直线驱动单元(3)所对应移动的距离并设置为相机直线驱动单元(3)最小移动距离。

第三步：风洞实验操作

变攻角下翼面特定区域流场测量：

按图1所示，将翼型模型，模型转动机构和相机转动机构安装完毕后，分别将相机电动转台(4)和翼型电动转台(5)，连接电动转盘同步器(16 )，并由电脑系统控制完成相机电动转台(4)和翼型电动转台(5)的同步转动过程，由于相机和待测特定区域保持相对静止，在攻角动态变化下，测量的区域也不会离开相机视野范围，达到锁定区域测量的效果，若需要测量其他区域，只需要细调移动电动水平坐标架位置即可。

不同攻角下翼面全局区域流场测量：

将直线驱动单元(3)连接电脑，通过电脑系统控制其进行直线移动，进而带动相机进行直线移动。标定直线驱动单元(3)移动的最小距离为相机视野移过每个截面的距离。当翼型攻角变化后，控制直线驱动单元(3)移动，相机(1)随之移动至不同翼型截面进行拍摄测量，直到将翼型各个截面测量完后回到初始位置，测量得到结果进行合成，完成全局流场的测量。

通过上述提出的用于测量在变攻角下翼型特定区域流场和全局流场测量的方法，即构造相机和模型待测区域在空间上共轴，在变攻角的状态下二者仍能保持相对静止。对于上述的方法，不需要构建复杂的相机、翼型模型联动连杆机构，所用的元器件都能方便的获得，这样大大节省了试验材料成本。与此同时，也节省了试验中根据状态变化调整相机角度位置的试验时间，试验测量的精度也能得到保证。

作为本发明的进一步优选方案：所述的相机转动机构、翼型转动机构、翼型模型都需要水平。翼型两端的端板必须为透明透光材料，保证不遮挡相机拍摄。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便本技术领域的技术人员能够理解本发明，但本发明不仅限于具体的实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种变攻角下测量翼面特定区域流场和全局流场的装置，其特征在于包括：相机转动机构，以及翼型转动机构，其中，相机转动机构中：相机（1）通过底部的螺栓与相机底座（2）连接，相机直线驱动单元（3）上下面均设有相机滑槽滑口（12），便于相机底座（2）在相机直线驱动单元（3）内移动，相机直线驱动单元（3）中心位置处设有对称螺纹孔，对应连接相机电动转台（4）的中心，二者连接后，转动中心同心，另外，相机电动转台（4）固定在相机电动竖直坐标架（6）上，相机电动竖直坐标架（6）固定在电动水平坐标架（7）上，通过调整两个坐标架的位置，调节相机转动机构的整体位置，在翼型转动机构中：翼型电动转台（5）与翼型模型端部连接的金属圆盘（8）通过螺栓连接固定，金属圆盘（8）与翼型电动转台（5）同心，保证翼型电动转台转动角度即为翼型模型攻角的变化量，翼型电动转台（5）和翼型电动竖直坐标架连接，以便调节翼型模型的安装位置；

所述一种变攻角下测量翼面特定区域流场和全局流场的装置的实验方法包括如下步骤：

第一步：设计相机转动结构和翼型转动结构装置：

相机转动机构的转动依靠相机电动转台（4）完成，需将相机电动转台（4）的转动中心和相机直线驱动单元（3）的中心重合，通过螺栓将相机底座（2）与相机（1）固定连接成为一个整体；为了防止相机底座（2）在相机直线驱动单元（3）内移动时发生侧向转动，在相机底座（2）的上端面和下端面设计了螺纹孔，与相机直线驱动单元（3）上、下端面相机滑槽滑口相对应，通过螺栓将相机底座（2）安装在相机直线驱动单元（3）内，当计算机控制相机直线驱动单元（3）直线移动时，相机底座（2）也能跟着移动，此相机电动转台（4）与相机电动竖直坐标架（6）固定连接，相机电动竖直坐标架（6）和电动水平坐标架（7）连接，两个坐标架都能通过电动进行驱动，能快速调节整个相机转动机构X 、Y 方向上的位置；

翼型模型端部的金属圆盘（8）中心对应翼型模型（9）弦长1/4处位置，翼型模型端部的金属圆盘（8）和翼型电动转台（5）同心连接固定，翼型电动转台（5）转动的角度对应翼型模型攻角的变化量；

第二步：模型与装置在风洞中的安装：

相机（1）水平放置于相机底座（2）上，相机（1）和相机底座（2）下底面均有螺纹孔，通过螺栓将二者连接固定在一起；相机直线驱动单元（3）中心处有对称的螺纹孔，与其对应的是相机电动转台（4）上的螺纹孔，通过螺栓将相机直线驱动单元（3）和相机电动转台（4）连接起来，并通过水平仪调节并保证相机直线驱动单元（3）的水平，相机和相机底座整体在相机直线驱动单元（3）内，并根据试验前确定的相机镜头中心与相机电动转台转动中心的距离，通过计算机驱动将相机（1）和相机底座（2）移动至设定距离位置处，相机转动机构安装完毕；

将翼型模型（9）两端安装上透明端板（13），把整个翼型模型水平放置于铝型材搭设的框架上，并保证整个翼型模型水平处于风洞（11）的中心区域处；翼型模型端部的金属圆盘（8）中心处有垂直连接固定的镀铬钢棒，钢棒从翼型模型弦长1/4处位置横穿整个翼型模型（9），将整个翼型模型（9）和金属圆盘（8）连接在一起，金属圆盘（8）和翼型电动转台（5）通过螺栓相连接，保证金属圆盘（8）和翼型电动转台（5）同心，当翼型电动转台（5）转动一定的角度时翼型模型（9）攻角也变化相同角度，因此达到翼型模型变攻角的目的，确定好翼型模型位置后，将翼型电动转台（5）和翼型电动竖直坐标架连接在一起并固定翼型电动竖直坐标架位置，这样翼型模型和翼型转动机构就安装完毕；

第三步：模型与装置之间的位置调整和设置

调整相机转动机构的位置，并构造相机和翼型模型待测区域在空间上共轴：将激光水平仪（14）水平放置于翼型模型与相机转动机构中间，利用激光水平仪（14）前后射出的激光线，一侧激光线对齐翼型模型内部的镀铬钢棒中心，另一侧需要将相机直线驱动单元（3）中心的六边形螺栓中心对准另一侧激光线，以达到相机转动机构的转动中心和翼型模型转动中心同心的目的；在测量的翼面特定区域放置刻度尺，确定特定区域刻度范围，打开相机（1），控制相机直线驱动单元（3）移动，待特定区域刻度范围完全进入相机视野后，固定并记录此时相机直线驱动单元（3）位置作为相机和翼型模型特定区域在空间上共轴位置；

在确定好相机和翼型模型特定区域的共轴位置后，进行相机直线驱动单元（3）移动步长设置，从翼型模型前缘到后缘进行尺寸标定，并将全局流场均分为N个截面，每一个截面大小为待测特定区域刻度范围大小，最后确定相机视野移过每个截面时相机直线驱动单元（3）所对应移动的距离，并设置为相机直线驱动单元（3）最小移动距离，装置各部分安装调整完毕后，开始进行风洞试验。

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