CN115824566A - 一种平面叶栅风洞piv实验光路布置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于风洞光学实验技术领域，公开了一种平面叶栅风洞PIV实验光路布置方法。激光片光发生器布置在实验段出口的侧壁板后方，出光口位于测试流场外，激光片光经流场内的大口径主反射镜反射至叶栅实验模型的测量截面上，再拍摄测量截面粒子图像，解决了示踪粒子污染激光片光发生器难题，和激光片光不能充分导入造成的激光片光面积小能量低的难题；风洞实验段内根据拍摄要求布置若干个补光反射镜，利用反射激光既消除了叶片弯曲、重叠以及自身厚度造成的遮挡区，克服了多次分区测量方式存在的流动状态一致性与非定常流动相位同步性技术难题，主反射镜和补光反射镜均位于叶栅实验流场下游，且距离测量截面足够远，避免影响叶栅实验模型流场。
Description
技术领域
本发明属于风洞光学实验技术领域，具体涉及一种平面叶栅风洞PIV实验光路布置方法。
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。
平面叶栅风洞实验，基于相似理论在满足实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实验，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。平面叶栅风洞实验是现代先进叶轮机设计体系的重要组成部分。通过平面叶栅风洞实验，可获得实验叶栅的进口实验气流角、出口实验气流角、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。
在平面叶栅风洞实验中应用PIV测试技术可获取非常有价值的速度场分布特征。由PIV测速原理可知，实验中PIV激光片光布置方案尤为关键，通常关系到PIV实验的成败。目前，平面叶栅风洞PIV实验激光片光布置主要面临以下几个方面的技术难题：
一是，激光片光发生器布置于流场中，承受实验气流的直接冲击，实验气流中携带的杂质容易划伤激光片光发生器；
二是，激光片光发生器布置于流场中，实验气流中携带的示踪粒子污染激光片光发生器，导致激光片光能量发散、质量降低问题，同时，多次反复擦拭激光片光发生器出光位置，也会对激光片光发生器造成损害；
三是，激光片光不能完全导入流场问题，PIV实验中称之为切光，导致进入流场的激光片光照射区域小，能量低；
四是，叶栅实验模型因叶片厚度、弯角以及多个叶片重叠造成的激光片光光路遮挡问题，以及当前采用多次分区测量方式存在的难以保障流场状态一致性以及非定常流场参数相位同步性的技术难题。
当前，亟需发展一种平面叶栅风洞PIV实验光路布置方法。
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实验光路布置方法。
本发明的平面叶栅风洞PIV实验光路布置方法，其特点是，所述的平面叶栅风洞PIV实验光路布置方法将激光片光发生器布置在平面叶栅风洞实验段出口的侧壁板后方，激光片光发生器的出光口位于平面叶栅风洞实验段流场外，激光片光发生器发射的激光片光经位于平面叶栅风洞实验段流场内的主反射镜反射至平面叶栅风洞实验段内的叶栅实验模型上，再通过PIV实验系统拍摄叶栅实验模型的测量截面，避免了由于激光片光发生器暴露在平面叶栅风洞流场中，被示踪粒子污染与受实验气流直接冲击；同时，在平面叶栅风洞实验段内，根据拍摄要求布置若干个补光反射镜，利用反射的激光片光消除由于叶栅实验模型的叶片厚度、弯角和叶片位置重叠造成的测量截面的遮挡区；
主反射镜、补光反射镜均位于叶栅实验流场下游，与测量截面的距离长度足以避免影响叶栅实验模型流场。
进一步地，所述的主反射镜的口径与激光片光发生器的激光片光匹配，主反射镜完全反射由激光片光发生器发出的激光片光。
本发明的平面叶栅风洞PIV实验光路布置方法根据平面叶栅风洞的结构特征，将PIV激光片光发生器布置在风洞实验段出口侧壁板之后，使得PIV激光片光发生器避开实验段出口实验气流的直接冲击以及示踪粒子污染，同时将一个大口径平面反射镜即主反射镜置于实验段出口实验气流中，通过大口径的主反射镜完成完全反射，使得激光片光发生器产生的激光片光照亮测量区域，从而克服了实验气流中携带的示踪粒子及其他杂质污染PIV激光片光发生器的技术难题，同时也降低了实验气流直接冲击和因多次反复擦拭粒子污染而对PIV激光片光发生器造成的损害；此外，通过大口径的主反射镜完全反射由激光片光发生器发出的激光片光，主反射镜反射的激光片光覆盖面积大，且能量高、亮度高，避免了采用激光内窥镜等其他方式导入激光时，因光斑不能完全导入而产生的切光问题，和切光问题造成的激光片光扩散面积小以及激光片光能量低的问题。因此，本发明的平面叶栅风洞PIV实验光路布置方法适用于大视场PIV实验测量。同时，在平面叶栅风洞的上、下壁板或中间根据实际需要布置一个或多个用于补光的平面反射镜即补光反射镜，补光反射镜反射主反射镜反射的激光片光，照亮主激光片光光路中因叶栅实验模型叶片厚度、弯角和叶片位置重叠而形成的遮挡区，从而克服了PIV实验中叶栅叶片相互遮挡的技术难题，扩大了PIV实验有效测量区域，同时也解决了当前采用多次分区测量方式存在的难以保障流场状态一致性以及非定常流场参数相位的同步性技术难题。
本发明的平面叶栅风洞PIV实验光路布置方法既能够满足平面叶栅风洞PIV实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，进而保障粒子图像质量。
附图说明
图1为采用本发明的平面叶栅风洞PIV实验光路布置方法获得的实验光路（主视图）；
图2为采用本发明的平面叶栅风洞PIV实验光路布置方法获得的实验光路（俯视图）；
图3为采用本发明的平面叶栅风洞PIV实验光路布置方法获得的实验光路（局部放大图）。
图中1.激光片光发生器；2.主反射镜；3.补光反射镜；4.叶栅实验模型；5.平面叶栅风洞喷管段；6.平面叶栅风洞实验段；7.遮挡区。
实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
实施例
如图1~图3所示，本发明的平面叶栅风洞的叶栅实验模型4安装在平面叶栅风洞实验段6内，气流经平面叶栅风洞喷管段5流经平面叶栅风洞实验段6的叶栅实验模型4上。本实施例的平面叶栅风洞PIV实验光路布置方法，将激光片光发生器1布置在平面叶栅风洞实验段6出口的侧壁板后方，激光片光发生器1的出光口位于平面叶栅风洞实验段6流场外，激光片光发生器1发射的激光片光经位于平面叶栅风洞实验段6流场内的主反射镜2反射至平面叶栅风洞实验段6内的叶栅实验模型4上，再通过PIV实验系统拍摄叶栅实验模型4的测量截面，避免了由于激光片光发生器1暴露在平面叶栅风洞流场中，被示踪粒子污染与受实验气流直接冲击；同时，在平面叶栅风洞实验段6内，根据拍摄要求布置若干个补光反射镜3，利用反射的激光片光消除由于叶栅实验模型4的叶片厚度、弯角和叶片位置重叠造成的测量截面的遮挡区7；
主反射镜2、补光反射镜3均位于叶栅实验流场下游，与测量截面的距离长度足以避免影响叶栅实验模型4流场。
进一步地，所述的主反射镜2的口径与激光片光发生器1的激光片光匹配，主反射镜2完全反射由激光片光发生器1发出的激光片光。
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 (2)
1.一种平面叶栅风洞PIV实验光路布置方法，其特征在于，所述的平面叶栅风洞PIV实验光路布置方法将激光片光发生器（1）布置在平面叶栅风洞实验段（6）出口的侧壁板后方，激光片光发生器（1）的出光口位于平面叶栅风洞实验段（6）流场外，激光片光发生器（1）发射的激光片光经位于平面叶栅风洞实验段（6）流场内的主反射镜（2）反射至平面叶栅风洞实验段（6）内的叶栅实验模型（4）上，再通过PIV实验系统拍摄叶栅实验模型（4）的测量截面，避免了由于激光片光发生器（1）暴露在平面叶栅风洞流场中，被示踪粒子污染与受实验气流直接冲击；同时，在平面叶栅风洞实验段（6）内，根据拍摄要求布置若干个补光反射镜（3），利用反射的激光片光消除由于叶栅实验模型（4）的叶片厚度、弯角和叶片位置重叠造成的测量截面的遮挡区（7）；
主反射镜（2）、补光反射镜（3）均位于叶栅实验流场下游，与测量截面的距离长度足以避免影响叶栅实验模型（4）流场。
2.根据权利要求1所述的平面叶栅风洞PIV实验光路布置方法，其特征在于，所述的主反射镜（2）的口径与激光片光发生器（1）的激光片光匹配，主反射镜（2）完全反射由激光片光发生器（1）发出的激光片光。
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