CN115824560B - 平面叶栅风洞piv实验狭缝示踪粒子布撒器及布撒方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于风洞光学试验技术领域，公开了一种平面叶栅风洞PIV实验狭缝示踪粒子布撒器及布撒方法。布撒器为端口封闭的T型管体，水平段并联若干进气管，分别外接粒子发生器；竖直段为布撒杆，下段设置有竖直的狭缝喷口；布撒器进气管通流总面积A1，布撒杆通流面积A2，狭缝喷口通流面积A3，A1＞A2，A2≥2A3。示踪粒子布撒方法是将布撒杆竖直插入平面叶栅风洞圆转方收缩段入口管壁，狭缝喷口朝向叶栅试验件并且对正叶栅试验件50%叶高截面；利用收缩段与喷管的通流截面高收缩比特性将片状示踪粒子限定在测量截面左右±5mm范围，保障了测量截面示踪粒子充足的需求，避免了示踪粒子污染光学窗口，获得了高质量粒子图像。
Description
技术领域
本发明属于风洞光学试验技术领域，具体涉及一种平面叶栅风洞PIV实验狭缝示踪粒子布撒器及布撒方法。
背景技术
PIV（Particle Image Velocimetry，粒子图像测速）是一种光学测量实验技术，PIV测速原理是利用光源照亮流场中布撒的示踪粒子，通过微小时间间隔
Δt内两幅示踪粒子图像的互相关性获得被测流场的速度矢量分布。PIV测试技术克服了接触式单点测量设备的局限性，可以高效率、无干扰地获得整个测量截面上的瞬时速度场、涡量场等信息，具有不干扰流场、空间分辨率高、动态响应快、测量范围宽、方向灵敏性好、测量精度高等优点。因此，PIV测试技术在实验流体力学领域得到了广泛应用。
平面叶栅风洞试验，基于相似理论在满足试验叶型与原型叶型之间的几何相似、运动相似和动力相似的情况下，以压缩空气为介质，对平面叶栅进行吹风试验，获得平面叶栅的气动性能。为设计出高性能的风扇、压气机和涡轮等叶轮机需要在平面叶栅层面研究叶轮机的设计方法和流动特性。平面叶栅风洞试验是现代先进叶轮机设计体系的重要组成部分。通过平面叶栅风洞试验，可获得试验叶栅的进口气流角、出口气流角、叶型损失等气动参数，以此作为叶轮机优化设计的基础和依据，对提升叶轮机设计水平具有重要意义。
在平面叶栅风洞试验中应用PIV测试技术能够获取非常有价值的速度场分布特征。由PIV测速原理可知，流场中示踪粒子的布撒方案尤为关键，通常关系到实验的成败。
平面叶栅风洞PIV实验示踪粒子布撒主要面临两方面技术难题：一是，测量截面示踪粒子不足，二是，示踪粒子污染光学窗口导致粒子图像质量较差。
当前，亟需发展一种平面叶栅风洞PIV实验狭缝示踪粒子布撒器及布撒方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服当前平面叶栅风洞PIV实验示踪粒子布撒技术缺陷，提供一种平面叶栅风洞PIV实验狭缝示踪粒子布撒器及布撒方法。
本发明的平面叶栅风洞PIV实验狭缝示踪粒子布撒器，其特点是，所述的狭缝示踪粒子布撒器为端口封闭的T型管体，T型管体的水平段并联若干个相互平行的进气管，各进气管分别外接对应的粒子发生器的出气口；T型管体的竖直段为布撒杆，布撒杆的上段套装法兰盘，布撒杆的下段设置有竖直的狭缝喷口；
布撒器进气管通流总面积为A1，布撒杆通流面积为A2，狭缝喷口通流面积为A3，A1＞A2，A2≥2A3；
狭缝喷口喷出的示踪粒子形成片状示踪粒子，片状示踪粒子的中心对称面与狭缝喷口的中心对称面重合，片状示踪粒子的宽度小于等于10mm。
本发明的平面叶栅风洞PIV实验狭缝示踪粒子布撒方法，将布撒杆从上至下竖直插入平面叶栅风洞收缩段入口管壁，狭缝喷口朝向叶栅试验件，且对正叶栅试验件50%叶高截面布撒示踪粒子，片状示踪粒子的中心对称面与叶栅试验件50%叶高截面重合。
进一步地，平叶栅风洞收缩段与喷管段的通流截面的收缩比大于20。
本发明的平面叶栅风洞PIV实验狭缝示踪粒子布撒器的多个进气管可同时接入多个粒子发生器，解决了示踪粒子浓度不足的缺陷；采用狭缝喷口进行示踪粒子布撒，保证了示踪粒子覆盖面积宽且均匀；通过控制布撒器由进口至出口的通流面积收缩比，使得布撒器进气管通流总面积A1与布撒杆通流面积A2及狭缝喷口通流面积A3满足A1＞A2且A2≥2A3，实现了粒子布撒通畅。
本发明的平面叶栅风洞PIV实验狭缝示踪粒子布撒方法将狭缝示踪粒子布撒器安装在平面叶栅风洞试验段上游收缩段的入口，布撒杆从上至下竖直插入平面叶栅风洞收缩段入口管壁，使狭缝喷口朝向叶栅试验件，并且狭缝喷口对正叶栅试验件50%叶高截面，满足了平面叶栅试验通常只测量50%叶高截面流场特征的试验需求。
平面叶栅风洞收缩段与喷管段通流截面具有高收缩比，利用通流截面高收缩比的特性，将示踪粒子“压缩”在50%叶高截面左右±5mm范围，有效避免了示踪粒子在狭缝喷口的自由扩散，既克服了示踪粒子自由扩散效应引起的测量截面示踪粒子浓度不满足成像要求问题，又克服了因示踪粒子自由扩散效应引起的叶栅试验件光学窗口污染问题，操作简便，实用性强。
简而言之，本发明的平面叶栅风洞PIV实验狭缝示踪粒子布撒器及布撒方法，既能够满足平面叶栅风洞PIV试验测量截面示踪粒子充足的需求，又能够避免示踪粒子污染光学窗口，保证获得高质量粒子图像。
附图说明
图1为本发明的平面叶栅风洞PIV实验狭缝示踪粒子布撒器的结构示意图（主视图）；
图2为本发明的平面叶栅风洞PIV实验狭缝示踪粒子布撒器的结构示意图（俯视图）；
图3为本发明的平面叶栅风洞PIV实验狭缝示踪粒子布撒器中的法兰盘结构示意图；
图4为本发明的平面叶栅风洞PIV实验狭缝示踪粒子布撒器中的狭缝喷口剖面图；
图5为本发明的平面叶栅风洞PIV实验狭缝示踪粒子布撒器现场安装示意图；
图6为本发明的平面叶栅风洞PIV实验狭缝示踪粒子布撒器布撒的示踪粒子轨迹（CFD模拟图）。
图中，1.布撒杆；2.法兰盘；3.进气管；4.狭缝喷口；5.进气管路；6.整流段；7.收缩段；8.喷管段；9.试验段；10.布撒器。
实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
如图1~图4所示，本发明的平面叶栅风洞PIV实验狭缝示踪粒子布撒器为端口封闭的T型管体，T型管体的水平段并联若干个相互平行的进气管3，各进气管3分别外接对应的粒子发生器的出气口；T型管体的竖直段为布撒杆，布撒杆的上段套装法兰盘2，布撒杆的下段设置有竖直的狭缝喷口4；
布撒器进气管3通流总面积为A1，布撒杆通流面积为A2，狭缝喷口4通流面积为A3，A1＞A2，A2≥2A3；
狭缝喷口4喷出的示踪粒子形成片状示踪粒子，片状示踪粒子的中心对称面与狭缝喷口4的中心对称面重合，片状示踪粒子的宽度小于等于10mm。
本发明的平面叶栅风洞PIV实验狭缝示踪粒子布撒方法，将布撒杆从上至下竖直插入平面叶栅风洞的收缩段7入口管壁，狭缝喷口4朝向叶栅试验件，且对正叶栅试验件50%叶高截面布撒示踪粒子，片状示踪粒子的中心对称面与叶栅试验件50%叶高截面重合。
进一步地，平叶栅风洞的收缩段7与喷管段8的通流截面的收缩比大于20。
实施例
本实施例的布撒杆1外径60mm、内径56mm，材质为不锈钢。进气管3外径25mm、内径22mm，狭缝喷口4为2mm×600mm。
进气管3通流总面积A1=2660.9mm2；
布撒杆1通流面积A2=2463.0mm2；
狭缝喷口4通流面积A3=1200mm2。
满足A1＞A2，A2＞2A3，保证了布撒器10由进口至出口的通流面积收缩比不小于2，解决了粒子布撒通畅性难题。
本实施例的狭缝示踪粒子布撒器10附带的7个进气管3分别接入2台粒子发生器的7个出气口，增大了示踪粒子的流量，从而克服了测量高速流场时示踪粒子浓度不足的问题。
如图5所示，本实施例的试验风洞为平面叶栅风洞，平面叶栅风洞沿气流方向从前至后依次为进气管路5、整流段6、收缩段7、喷管段8和试验段9；布撒器10通过法兰盘2安装在平面叶栅风洞试验段9上游收缩段7的入口，布撒器10的狭缝喷口4正对叶栅试验件50%叶高截面。平面叶栅风洞的收缩段7与喷管段8的收缩比约为23.7。其中，收缩段7的进口圆形通流截面面积为2010619.3mm2，出口方形通流截面面积为1340mm×190mm=254600 mm2，通流截面收缩比约为7.9；喷管段8的出口面积为445mm×190mm=84550 mm2，通流截面收缩比约为3。平面叶栅风洞圆转方收缩段7与喷管段8通流截面高收缩比的特性，促使将示踪粒子“压缩”在测量截面左右±5mm范围，获得了如图6所示的示踪粒子轨迹，在试验件测量截面位置示踪粒子分布于以50%叶高截面为中心，高度约200mm，厚度约10mm的核心气流区域，充分满足了PIV实验粒子布撒要求。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，本发明公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (3)
1.平面叶栅风洞PIV实验狭缝示踪粒子布撒器，其特征在于，所述的狭缝示踪粒子布撒器为端口封闭的T型管体，T型管体的水平段并联若干个相互平行的进气管（3），各进气管（3）分别外接对应的粒子发生器的出气口；T型管体的竖直段为布撒杆（1），布撒杆（1）的上段套装法兰盘（2），布撒杆（1）的下段设置有竖直的狭缝喷口（4）；
布撒器进气管（3）通流总面积为A1，布撒杆（1）通流面积为A2，狭缝喷口（4）通流面积为A3，A1＞A2，A2≥2A3；
狭缝喷口（4）喷出的示踪粒子形成片状示踪粒子，片状示踪粒子的中心对称面与狭缝喷口（4）的中心对称面重合，片状示踪粒子的宽度小于等于10mm。
2.平面叶栅风洞PIV实验狭缝示踪粒子布撒方法，根据权利要求1所述的平面叶栅风洞PIV实验狭缝示踪粒子布撒器，其特征在于，将布撒杆（1）从上至下竖直插入平面叶栅风洞的收缩段（7）入口管壁，狭缝喷口（4）朝向叶栅试验件，且对正叶栅试验件50%叶高截面布撒示踪粒子，片状示踪粒子的中心对称面与叶栅试验件50%叶高截面重合。
3.根据权利要求2所述的平面叶栅风洞PIV实验狭缝示踪粒子布撒方法，其特征在于，平面叶栅风洞的收缩段（7）与喷管段（8）的通流截面的收缩比大于20。
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| GR01 | Patent grant | ||
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