CN114508655B - 一种适用于室内水槽试验的多功能测架及测流方法 - Google Patents

一种适用于室内水槽试验的多功能测架及测流方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于室内水槽试验的多功能测架及测流方法。本发明通过提供一个固定PIV测量系统的框架，框架上可以固定高速相机和激光器，并能够实现高速相机和激光器的三向调节，利用此测量框架搭载PIV测量系统可以实现对室内试验水槽任意断面和任意位置处的流速测量，并且针对不同宽度和高度的试验水槽，此测量框架可以通过调节框架上平台的高度和辅助架上激光转角底板的位置，使PIV测量系统各设备固定在精度要求的位置，测量架结构简单，便于组装和拆卸，可灵活用于室内水槽试验；高速相机和激光器具有三向调节功能，提高了PIV测量准确率与布置效率；激光转角装置延伸架，为激光转角45度镜提供了宽范围的调整空间。

Description

一种适用于室内水槽试验的多功能测架及测流方法
技术领域
本发明涉及室内水槽试验的多功能测架及测流方法领域，具体为一种适用于室内水槽试验的多功能测架及测流方法。
背景技术
对于室内试验水槽中流速的测量，目前常用的设备有：旋桨式流速仪、声学多谱勒流速仪(AcousticDopplerVelocimetry,ADV)和粒子成像测速仪(ParticleImagingVelocimetry,PIV)，但上述测量设备具有一些缺点，旋桨式流速仪和ADV需要插入到水流中，会对试验水流产生扰动作用，影响测流的准确性，而且对于近边壁和槽底的区域难以进行流速测量，PIV采用激光照亮水体中粒子，进行拍照计算流场，因此，不会扰动水流，能实现大范围区域的流速测量，是目前主要的流行的测量技术，但PIV测量系统复杂，测量设备众多，测量设备安装精度要求高，在测量时，设备安装位置确定以及安装调试的工作量较大，在多断面进行移动测量时，这个矛盾极为突出，在室内水槽试验时，对于不同尺寸大小的水槽，开展PIV测量，对相关设备的安装、固定以及调试难度较大，急需一套结构灵活多变、可适应不同尺寸水槽且可快速调整测量设备的PIV测量架，为此我们设计了一种适用于室内水槽试验的多功能测架及测流方法。
发明内容
本发明提供一种适用于室内水槽试验的多功能测架及测流方法可以解决上述背景技术中的问题，高度集成并可灵活调节各测量设备，实现一体化测量，提高测量效率，减少实验成本。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种适用于室内水槽试验的多功能测架及测流方法，包括室内水槽试验多功能测架与室内水槽试验测流方法，所述室内水槽试验多功能测架由径向移动底座、主体铝合金框架、主机底板、激光器底板、相机底板、激光器三轴调节托盘、相机三轴调节托盘、激光转角装置延伸架、激光转角底板、激光转角托盘、激光转角45度镜和高频高精度PIV测量系统组成；
所述的室内水槽试验测流方法，所述包括以下步骤：
步骤一，确定室内水槽的试验段：将测量架固定在试验段的适当位置，调试径向移动底座，实现测量架相对于水槽距离远近方向上的整体移动；
步骤二，调整主体框架结构：根据室内试验水槽的长宽高尺寸以及测量区域空间位置，调整主体框架结构；调整主机底板、激光器底板、相机底板到合适的高度；在相应的底板上安装激光器三轴调节托盘、相机三轴调节托盘；在主体铝合金框架正面中部安装激光转角装置延伸架，其前端伸入到试验水槽正下方；在激光转角装置延伸架前端安装激光转角底板和激光转角托盘；在激光转角托盘上安装激光转角45度镜，用于将水平入射激光反射为竖直平面激光；
步骤三，安装激光器：将激光器安装在激光器三轴调节托盘上，调节托盘高度，观察调节托盘上的水平气泡，调节激光器三轴调节托盘为水平，使激光器发射的水平扇形片光，入射到激光转角45度镜后，形成竖直扇形片光，透过水槽玻璃底板，照亮水体中粒子；
步骤四，安装高速相机：将高速相机安装在相机三轴调节托盘上，调节托盘高度，观察调节托盘上的水平气泡，调节相机三轴调节托盘为水平，使高速相机拍照区域为被激光照亮水体区域；
步骤五，拍摄水体中被激光照亮粒子的图像：将高速相机连接电脑，实时调节相机成像平面，使其与激光平面重合，清晰拍摄水体中被激光照亮粒子的图像；
步骤六，分析水流结构特性和紊动特性：不断的补充示踪粒子，使粒子浓度达到测量流场的要求，采集粒子图像，利用自主开发程序对粒子图像对进行流场计算，得到二维流速场，用于分析水流结构特性和紊动特性。
优选的，所述径向移动底座由两根长2米的铝合金型材组成，所述径向移动底座上设有供主体铝合金框架移动的滑槽与刻度尺，所述主体铝合金框架由四根长1.5米、十六根长0.52米和两根长0.622米的铝合金型材组成，所述主机底板、激光器底板和相机底板均由长0.6米、宽0.5米、厚8mm的铝合金板材组成，所述激光器三轴调节托盘长0.4米、宽0.22米，材料为厚8mm的铝合金板材，所述相机三轴调节托盘长0.35米、宽0.185米，材料为厚8mm的铝合金板材。
优选的，所述激光转角装置延伸架安装在主体铝合金框架正面中部的两根竖向型材上，所述激光转角装置延伸架由两根长0.86米和一根长0.16米的铝合金型材组成，所述激光转角托盘的长边中部开设有安装槽，所述激光转角45度镜通过安装槽安装在激光转角托盘的长边中部，激光转角底板和激光转角托盘采用厚度为8mm的铝合金板材，所述激光转角45度镜由一块长0.2米，边长为50mm的三角形型材和一块长0.2米、宽0.15米的反光镜组成。
优选的，所述高频高精度PIV测量系统由高速相机、激光器、图像采集器和PIV流场计算程序组成，所述高速相机为CMOS相机，最高分辨率为2560×1920，满幅帧频为800Hz，相机内存为4.8G，采集的图像为8位BMP格式，相机与电脑采用以太网构建的局域网进行通信，激光器为8W半导体连续激光的激光器，激光为波长532nm的片光，厚度约为1mm，PIV流场采用自主编程计算。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过提供一个固定PIV测量系统的框架，框架上可以固定高速相机和激光器，并能够实现高速相机和激光器的三向调节，利用此测量框架搭载PIV测量系统可以实现对室内试验水槽任意断面和任意位置处的流速测量，并且针对不同宽度和高度的试验水槽，此测量框架可以通过调节框架上平台的高度和辅助架上激光转角底板的位置，使PIV测量系统各设备固定在精度要求的位置，测量架结构简单，便于组装和拆卸，可灵活用于室内水槽试验；高速相机和激光器具有三向调节功能，提高了PIV测量准确率与布置效率；激光转角装置延伸架为激光转角45度镜提供了宽范围的调整空间，使竖直平面激光方便、快捷地形成，具备一定的使用前景。
附图说明
图1为本发明中室内水槽试验多功能测架的侧面结构示意图；
图2为本发明中室内水槽试验测流方法的流程图；
图3为本发明中室内水槽试验多功能测架的后视图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
下面将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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种适用于室内水槽试验的多功能测架及测流方法，包括室内水槽试验多功能测架与室内水槽试验测流方法，室内水槽试验多功能测架由径向移动底座、主体铝合金框架、主机底板、激光器底板、相机底板、激光器三轴调节托盘、相机三轴调节托盘、激光转角装置延伸架、激光转角底板、激光转角托盘、激光转角45度镜和高频高精度PIV测量系统组成；
室内水槽试验测流方法，包括以下步骤：
步骤一，确定室内水槽的试验段：将测量架固定在试验段的适当位置，调试径向移动底座，实现测量架相对于水槽距离远近方向上的整体移动；
步骤二，调整主体框架结构：根据室内试验水槽的长宽高尺寸以及测量区域空间位置，调整主体框架结构；调整主机底板、激光器底板、相机底板到合适的高度；在相应的底板上安装激光器三轴调节托盘、相机三轴调节托盘；在主体铝合金框架正面中部安装激光转角装置延伸架，其前端伸入到试验水槽正下方；在激光转角装置延伸架前端安装激光转角底板和激光转角托盘；在激光转角托盘上安装激光转角45度镜，用于将水平入射激光反射为竖直平面激光；
步骤三，安装激光器：将激光器安装在激光器三轴调节托盘上，调节托盘高度，观察调节托盘上的水平气泡，调节激光器三轴调节托盘为水平，使激光器发射的水平扇形片光，入射到激光转角45度镜后，形成竖直扇形片光，透过水槽玻璃底板，照亮水体中粒子；
步骤四，安装高速相机：将高速相机安装在相机三轴调节托盘上，调节托盘高度，观察调节托盘上的水平气泡，调节相机三轴调节托盘为水平，使高速相机拍照区域为被激光照亮水体区域；
步骤五，拍摄水体中被激光照亮粒子的图像：将高速相机连接电脑，实时调节相机成像平面，使其与激光平面重合，清晰拍摄水体中被激光照亮粒子的图像；
步骤六，分析水流结构特性和紊动特性：不断地补充示踪粒子，使粒子浓度达到测量流场的要求，采集粒子图像，利用自主开发程序对粒子图像对进行流场计算，得到二维流速场，用于分析水流结构特性和紊动特性。
进一步的，径向移动底座由两根长2米的铝合金型材组成，径向移动底座上设有供主体铝合金框架移动的滑槽与刻度尺，便于查看移动距离，主体铝合金框架由四根长1.5米、十六根长0.52米和两根长0.622米的铝合金型材组成，主机底板、激光器底板和相机底板均由长0.6米、宽0.5米、厚8mm的铝合金板材组成，各张底板四角切割掉边长为42mm的正方形，便于和主体铝合金框架衔接组装，激光器三轴调节托盘长0.4米、宽0.22米，材料为厚8mm的铝合金板材，相机三轴调节托盘长0.35米、宽0.185米，材料为厚8mm的铝合金板材。
进一步的，激光转角装置延伸架安装在主体铝合金框架正面中部的两根竖向型材上，在高度方向上可以进行上下调节，激光转角装置延伸架由两根长0.86米和一根长0.16米的铝合金型材组成，用于固定激光转角底板和激光转角托盘，激光转角托盘的长边中部开设有安装槽，激光转角45度镜通过安装槽安装在激光转角托盘的长边中部，激光转角底板和激光转角托盘采用厚度为8mm的铝合金板材，激光转角45度镜由一块长0.2米，边长为50mm的三角形型材和一块长0.2米、宽0.15米的反光镜组成。
进一步的，高频高精度PIV测量系统由高速相机、激光器、图像采集器和PIV流场计算程序组成，高速相机为CMOS相机，最高分辨率为2560×1920，满幅帧频为800Hz，相机内存为4.8G，采集的图像为8位BMP格式，相机与电脑采用以太网构建的局域网进行通信，实现图像数据传输，激光器为8W半导体连续激光的激光器，激光为波长532nm的片光，厚度约为1mm，PIV流场采用自主编程计算。
本申请通过提供一个固定PIV测量系统的框架，框架上可以固定高速相机和激光器，并能够实现高速相机和激光器的三向调节，利用此测量框架搭载PIV测量系统可以实现对室内试验水槽任意断面和任意位置处的流速测量，并且针对不同宽度和高度的试验水槽，此测量框架可以通过调节框架上平台的高度和辅助架上激光转角底板的位置，使PIV测量系统各设备固定在精度要求的位置，测量架结构简单，便于组装和拆卸，可灵活用于室内水槽试验；高速相机和激光器具有三向调节功能，提高了PIV测量准确率与布置效率；激光转角装置延伸架，为激光转角45度镜提供了宽范围的调整空间，使竖直平面激光方便、快捷地形成。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种适用于室内水槽试验的多功能测架，包括室内水槽试验多功能测架，其特征在于，所述室内水槽试验多功能测架由径向移动底座、主体铝合金框架、主机底板、激光器底板、相机底板、激光器三轴调节托盘、相机三轴调节托盘、激光转角装置延伸架、激光转角底板、激光转角托盘、激光转角45度镜和高频高精度PIV测量系统组成；
所述径向移动底座由两根长2米的铝合金型材组成，所述径向移动底座上设有供主体铝合金框架移动的滑槽与刻度尺，所述主体铝合金框架由四根长1.5米、十六根长0.52米和两根长0.622米的铝合金型材组成，所述主机底板、激光器底板和相机底板均由长0.6米、宽0.5米、厚8mm的铝合金板材组成，所述激光器三轴调节托盘长0.4米、宽0.22米，材料为厚8mm的铝合金板材，所述相机三轴调节托盘长0.35米、宽0.185米，材料为厚8mm的铝合金板材；
所述激光转角装置延伸架安装在主体铝合金框架正面中部的两根竖向型材上，所述激光转角装置延伸架由两根长0.86米和一根长0.16米的铝合金型材组成，所述激光转角托盘的长边中部开设有安装槽，所述激光转角45度镜通过安装槽安装在激光转角托盘的长边中部，激光转角底板和激光转角托盘采用厚度为8mm的铝合金板材，所述激光转角45度镜由一块长0.2米，边长为50mm的三角形型材和一块长0.2米、宽0.15米的反光镜组成；
所述高频高精度PIV测量系统由高速相机、激光器、图像采集器和PIV流场计算程序组成，所述高速相机为CMOS相机，最高分辨率为2560×1920，满幅帧频为800Hz，相机内存为4.8G，采集的图像为8位BMP格式，相机与电脑采用以太网构建的局域网进行通信，激光器为8W半导体连续激光的激光器，激光为波长532nm的片光，厚度为1mm，PIV流场采用自主编程计算；
室内水槽试验测流方法，包括以下步骤：
步骤一，确定室内水槽的试验段：将测量架固定在试验段的适当位置，调试径向移动底座，实现测量架相对于水槽距离远近方向上的整体移动；
步骤二，调整主体框架结构：根据室内试验水槽的长宽高尺寸以及测量区域空间位置，调整主体框架结构；调整主机底板、激光器底板、相机底板到合适的高度；在相应的底板上安装激光器三轴调节托盘、相机三轴调节托盘；在主体铝合金框架正面中部安装激光转角装置延伸架，其前端伸入到试验水槽正下方；在激光转角装置延伸架前端安装激光转角底板和激光转角托盘；在激光转角托盘上安装激光转角45度镜，用于将水平入射激光反射为竖直平面激光；
步骤三，安装激光器：将激光器安装在激光器三轴调节托盘上，调节托盘高度，观察调节托盘上的水平气泡，调节激光器三轴调节托盘为水平，使激光器发射的水平扇形片光，入射到激光45度转角镜后，形成竖直扇形片光，透过水槽玻璃底板，照亮水体中的示踪粒子；
步骤四，安装高速相机：将高速相机安装在相机三轴调节托盘上，调节托盘高度，观察调节托盘上的水平气泡，调节相机三轴调节托盘为水平，使高速相机拍照区域为被激光照亮水体区域；
步骤五，拍摄水体中被激光照亮粒子的图像：将高速相机连接电脑，实时调节相机成像平面，使其与激光平面重合，清晰拍摄水体中被激光照亮粒子的图像；
步骤六，分析水流结构特性和紊动特性：不断地补充示踪粒子，使粒子浓度达到测量流场的要求，采集粒子图像，利用自主开发程序对粒子图像对进行流场计算，得到二维流速场，用于分析水流结构特性和紊动特性。
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