CN117805434A - 用于时空演化壁面湍流边界层的spiv测量、标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于时空演化壁面湍流边界层技术领域，特别涉及用于时空演化壁面湍流边界层的SPIV测量、标定装置及方法。本发明的SPIV测量、标定装置包括拖曳水槽，拖曳水槽设置有水平测量单元和垂直测量单元，拖曳水槽上搭设有标定单元；标定单元包括水平标定架、水平移动机构、水平移动机构、水平连接板、垂直连接组件、垂直标定板、垂向连接板、垂直移动机构、水平连接组件和水平标定板。垂直标定板的展向位置、水平标定板的法向位置能准确调节，通过调节垂直标定板和水平标定板，可实现基于正交面的SPIV标定。本发明解决了现有的湍流边界层的测量和标定装置仅能从单一拍摄平面进行标定的情况，实现了对时空演化壁面湍流边界层基于正交面的SPIV测量和标定。

Description

用于时空演化壁面湍流边界层的SPIV测量、标定装置及方法

技术领域

本发明属于时空演化壁面湍流边界层技术领域，特别涉及用于时空演化壁面湍流边界层的SPIV测量、标定装置及方法。

背景技术

边界层是一个由于流体流经壁面而产生紧贴壁面的速度剪切薄层，由于流体的黏性作用使得边界层内靠近壁面区域的流体流速较小，而靠近边界层外侧的流体流速接近自由来流速度，因此边界层内存在很强的剪切运动。当表征黏性力与惯性力相对强弱的雷诺数达到一定程度之后，壁面边界层内的速度梯度会使层流边界层转捩成为湍流边界层。

湍流边界层是工程中常见的流体力学现象，广泛存在于大气表面层流动、水陆空航行器表面的流动，以及各种工业管道流动中。学者发现在湍流边界层中存在可辨识的有序运动，即为拟序（或相干）流动结构。它们一经触发，就以某种特定的规律发展运动，并且在时间和空间上呈现出一定程度的相关性或统计规律，是构成湍流边界层动力学系统的基本单元。目前在壁面湍流边界层内已发现四种主要拟序结构，分别为靠近壁面的高/低速条带、发卡涡、大尺度运动以及超大尺度运动。已有研究表明，湍流边界层内剧烈的动量交换和壁面高摩擦阻力的产生均与湍流拟序结构密切相关。因此，研究的湍流边界层内各种拟序结构的产生机理和时间空间演化过程具有十分重要的科学意义以及工程应用价值，从而可为湍流边界层减阻控制提供理论依据。

目前，在实验流体力学领域中，针对壁面湍流边界层内各种拟序流动结构的研究普遍基于粒子图像测速技术（PIV）定点定位地对某个雷诺数下特定的拟序结构进行测量。由于湍流边界层内的拟序结构从高/低速条带发展到超大尺度运动需要较大的物理空间，并且受限于PIV技术的测量范围，使得完整地测量湍流边界层各种拟序结构在时间和空间上的演化发展过程十分困难，尤其是对壁面摩擦阻力贡献较大的超大尺度运动的产生机理及其与其他拟序结构的相互作用和联系。

现有的湍流边界层的测量和标定装置仅能从单一拍摄平面进行标定，以建立测量平面的空间物理坐标与像素平面之间的数字映射关系；再对单一拍摄平面片激光照亮的流场进行粒子图像采集。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种用于时空演化壁面湍流边界层的基于正交面的SPIV测量、标定装置及方法。

本发明所采用的技术方案为：

用于时空演化壁面湍流边界层的SPIV测量、标定装置，包括拖曳水槽，拖曳水槽侧面设置有水平测量单元，拖曳水槽下部设置有垂直测量单元，拖曳水槽上搭设有标定单元；所述标定单元包括设置于拖曳水槽上的水平标定架，水平标定架的底部安装有水平移动机构，水平移动机构的输出端固定有水平连接板，水平连接板连接有垂直连接组件，垂直连接组件连接有竖直设置的垂直标定板；所述水平连接板底部还连接有垂向连接板，垂向连接板上连接有垂直移动机构，垂直移动机构的输出端连接有水平连接组件，水平连接组件连接有水平设置的水平标定板。

粒子图像测速技术（PIV）在实验流体力学领域中是一种无干扰、不接触流场的流动显示和测量技术，可以对二维平面或三维立体空间全场的二维或三维瞬时速度场进行测量。PIV测量流场速度的基本原理是，在待测流场中撒布跟随性较好的示踪粒子，利用片激光照亮待测区域的示踪粒子；使用高速相机以固定的位置和相同时间间隔连续两次对被片激光照亮的示踪粒子进行曝光，并记录在两张粒子图像中；将粒子图像划分为等像素大小的细小判读窗口，通过对时间序列上前后两帧图像中相同位置的判读窗口进行互相关运算得到判读窗口内示踪粒子的平均位移，并根据已知的前后两帧照片跨帧时间即可求得速度。SPIV利用至少两台相机分别从不同视角同步测量被激光片光照亮的待测平面的面内速度场，再利用双目视觉原理重构出待测区域的面外速度场，实现无干扰测量三维瞬时流场，属于平面三维PIV系统。

本发明的垂直标定板的展向位置、水平标定板的法向位置能准确调节，从而通过调节垂直标定板和水平标定板，可实现基于正交面的SPIV标定。当拖曳小车匀速运动至拍摄区域时，悬挂在水槽侧壁的对射型光电开关感知到拖曳小车的到来，即可同时触发高速相机拍摄采集。垂直面高速相机和水平面高速相机分别对由垂直片激光和水平片激光照亮的流场进行粒子图像采集，实现基于正交面的SPIV测量。本发明可用于研究壁面湍流边界层在时间和空间上的演化发展过程及湍流边界层中各种拟序流动结构之间的相互作用和产生机理。

作为本发明的优选方案，所述垂直连接组件包括垂直标定架，垂直标定架的一端连接于水平连接板的底部，垂直标定板上连接有托架，托架通过紧定螺丝与垂直标定架连接。通过调节水平移动机构，使得垂直标定板与垂直片激光基本重合。再通过紧定螺丝对垂直标定板进行展向微调，可使得垂直标定板与垂直片激光完全重合。

作为本发明的优选方案，所述水平连接组件包括延长板，延长板的一端连接于垂直移动机构的输出端上，延长板的另一端连接有抓板，水平标定板通过紧定螺丝与抓板连接。调节垂直移动机构，使得水平标定板与水平片激光基本重合。再通过紧定螺丝对水平标定板进行展向微调，可使得水平标定板与水平片激光完全重合。

作为本发明的优选方案，所述水平移动机构包括水平固定架，水平固定架固定于水平标定架的底部，水平固定架上转动连接有水平丝杆，水平丝杆上螺纹连接有水平移动块，水平固定架上设置有水平滑轨，水平移动块套设于水平滑轨上，水平连接板与水平移动块固定。水平丝杆的一端可连接电机或手柄，当驱动水平丝杆转动时，由于水平滑轨对水平移动块进行导向，在水平丝杆的驱动下，水平移动块水平移动，可调节垂直标定板的展向位置。

作为本发明的优选方案，所述垂直移动机构包括垂直固定架，垂直固定架固定于垂向连接板上，垂直固定架上转动连接有垂直丝杆，垂直丝杆上螺纹连接有垂直移动块，垂直固定架上设置有垂直滑轨，垂直移动块套设于垂直滑轨上，水平连接组件与垂直移动块固定。垂直丝杆的一端可连接电机或手柄，当驱动垂直丝杆转动时，由于垂直滑轨对垂直移动块进行导向，在垂直丝杆的驱动下，垂直移动块升降调节，可调节水平标定板的法向位置。

作为本发明的优选方案，所述水平测量单元包括水平面激光器、若干水平面高速相机和若干水平面水棱镜，水平面激光器、若干水平面高速相机和若干水平面水棱镜均设置于拖曳水槽侧面，若干水平面水棱镜位于水平面高速相机的光路中。水平面水棱镜可以有效减小由水平面高速相机倾斜拍摄带来的粒子成像畸变。

作为本发明的优选方案，所述水平面高速相机连接有水平支架，水平支架上安装有水平偏振分光棱镜。

作为本发明的优选方案，所述垂直测量单元包括垂直面激光器、若干垂直面高速相机和若干垂直面水棱镜，垂直面激光器、若干垂直面高速相机和若干垂直面水棱镜均设置于拖曳水槽下部，若干垂直面水棱镜位于垂直面高速相机的光路中。垂直面水棱镜可以有效减小由垂直面高速相机倾斜拍摄带来的粒子成像畸变。

作为本发明的优选方案，所述垂直面高速相机连接有垂直支架，垂直支架上安装有垂直偏振分光棱镜。

由于水平片激光和垂直片激光分别会在垂直面高速相机和水平面高速相机的成像中留有光斑，影响粒子成像。由于激光器发出的片激光均为线偏光，因此根据偏振分光原理，偏振分光棱镜通过在直角棱镜的斜面镀制多层膜结构，可使P偏振分量完全透过，而S偏振分量反射。垂直面高速相机通过垂直支架加装垂直偏振分光棱镜，水平面高速相机通过水平支架加装水平偏振分光棱镜，使得只有被偏振态为S光的垂直片激光照亮的粒子透过垂直偏振分光棱镜进入垂直面高速相机视野中，偏振态为P光的水平片激光被垂直偏振分光棱镜反射。同理，被偏振态为P光的水平片激光照亮的粒子透过水平偏振分光棱镜进入水平面高速相机视野中，偏振态为S光的垂直片激光被水平偏振分光棱镜反射。

用于时空演化壁面湍流边界层的SPIV测量、标定方法，包括以下步骤：

S1：标定过程：

拖曳水槽上设置拖曳小车，拖曳小车的底部连接有拖曳板；垂直面激光器发出的垂直片激光自拖曳水槽底部垂直入射至拖曳板下表面展向中心位置；垂直面激光器发出的垂直片激光和水平面激光器发出的水平片激光同时照亮欲拍摄的正交平面；

将标定单元移动至拍摄区域，通过调节水平移动机构，使垂直标定板与垂直片激光基本重合；再对垂直标定板进行展向微调，使垂直标定板与垂直片激光完全重合；垂直面高速相机对焦垂直标定板后，调节水平移动机构，使垂直标定板进行若干次展向移动，并分别拍摄标定图像；至此，垂直面标定工作完成；

调节水平移动机构使水平片激光照亮水平标定板的展向中心位置；调节垂直移动机构，使水平标定板与水平片激光基本重合；再对水平标定板进行展向微调，使水平标定板与水平片激光完全重合；水平面高速相机对焦水平标定板，并调节垂直移动机构，使得水平标定板进行若干次法向移动，分别拍摄标定图像；至此，基于SPIV的正交面标定工作完成；

S2：测量过程：

移开标定单元至拖曳水槽下游，拖曳水槽侧壁悬挂有对射型光电开关，拖曳板上设置有示踪剂流出缝，拖曳小车上设置有示踪剂释放水箱，示踪剂释放水箱通过管路与示踪剂流出缝连通；

使拖曳小车匀速运动至拍摄区域时，对射型光电开关感知到拖曳小车的到来，同时触发垂直面高速相机和水平面高速相机，垂直面高速相机和水平面高速相机分别对由垂直面激光器发出的垂直片激光和水平面激光器发出的水平片激光照亮的流场进行粒子图像采集，直至拖曳小车完全离开拍摄区域，采集完成。

本发明的有益效果为：

本发明的垂直标定板的展向位置、水平标定板的法向位置能准确调节，从而通过调节垂直标定板和水平标定板，可实现基于正交面的SPIV标定。当拖曳小车匀速运动至拍摄区域时，悬挂在水槽侧壁的对射型光电开关感知到拖曳小车的到来，即可同时触发高速相机拍摄采集。垂直面高速相机和水平面高速相机分别对由垂直片激光和水平片激光照亮的流场进行粒子图像采集，实现基于正交面的SPIV测量。本发明可用于研究壁面湍流边界层在时间和空间上的演化发展过程及湍流边界层中各种拟序流动结构之间的相互作用和产生机理。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是水平测量单元、垂直测量单元和标定单元的结构示意图；

图3是标定单元的结构示意图；

图4是标定单元的主视图；

图5是垂直标定板与托架的结构示意图；

图6是水平标定板与抓板的结构示意图；

图7是水平移动机构的结构示意图；

图8是垂直移动机构的结构示意图；

图9是水平面高速相机的结构示意图；

图10是垂直面高速相机的结构示意图。

图中：1-拖曳水槽；2-水平测量单元；3-垂直测量单元；4-标定单元；21-水平面激光器；22-水平面高速相机；23-水平面水棱镜；31-垂直面激光器；32-垂直面高速相机；33-垂直面水棱镜；41-水平标定架；42-水平移动机构；43-水平连接板；44-垂直连接组件；45-垂直标定板；46-垂向连接板；47-垂直移动机构；48-水平连接组件；49-水平标定板；221-水平支架；222-水平偏振分光棱镜；321-垂直支架；322-垂直偏振分光棱镜；421-水平固定架；422-水平丝杆；423-水平移动块；424-水平滑轨；441-垂直标定架；442-托架；471-垂直固定架；472-垂直丝杆；473-垂直移动块；474-垂直滑轨；481-延长板；482-抓板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1～图4所示，本实施例的用于时空演化壁面湍流边界层的SPIV测量、标定装置，包括拖曳水槽1，拖曳水槽1侧面设置有水平测量单元2，拖曳水槽1下部设置有垂直测量单元3，拖曳水槽1上搭设有标定单元4；所述标定单元4包括设置于拖曳水槽1上的水平标定架41，水平标定架41的底部安装有水平移动机构42，水平移动机构42的输出端固定有水平连接板43，水平连接板43连接有垂直连接组件44，垂直连接组件44连接有竖直设置的垂直标定板45；所述水平连接板43底部还连接有垂向连接板46，垂向连接板46上连接有垂直移动机构47，垂直移动机构47的输出端连接有水平连接组件48，水平连接组件48连接有水平设置的水平标定板49。

粒子图像测速技术（PIV）在实验流体力学领域中是一种无干扰、不接触流场的流动显示和测量技术，可以对二维平面或三维立体空间全场的二维或三维瞬时速度场进行测量。PIV测量流场速度的基本原理是，在待测流场中撒布跟随性较好的示踪粒子，利用片激光照亮待测区域的示踪粒子；使用高速相机以固定的位置和相同时间间隔连续两次对被片激光照亮的示踪粒子进行曝光，并记录在两张粒子图像中；将粒子图像划分为等像素大小的细小判读窗口，通过对时间序列上前后两帧图像中相同位置的判读窗口进行互相关运算得到判读窗口内示踪粒子的平均位移，并根据已知的前后两帧照片跨帧时间即可求得速度。SPIV利用至少两台相机分别从不同视角同步测量被激光片光照亮的待测平面的面内速度场，再利用双目视觉原理重构出待测区域的面外速度场，实现无干扰测量三维瞬时流场，属于平面三维PIV系统。

本发明的垂直标定板45的展向位置、水平标定板49的法向位置能准确调节，从而通过调节垂直标定板45和水平标定板49，可实现基于正交面的SPIV标定。当拖曳小车匀速运动至拍摄区域时，悬挂在水槽侧壁的对射型光电开关感知到拖曳小车的到来，即可同时触发高速相机拍摄采集。垂直面高速相机32和水平面高速相机22分别对由垂直片激光和水平片激光照亮的流场进行粒子图像采集，实现基于正交面的SPIV测量。本发明可用于研究壁面湍流边界层在时间和空间上的演化发展过程及湍流边界层中各种拟序流动结构之间的相互作用和产生机理。

本发明用于对时空演化的壁面湍流边界层进行有效测量，荧光示踪粒子通过示踪剂释放水箱释放，具有时间分辨力的体视粒子图像测速技术（TR-SPIV）同时定量地测量壁面湍流边界层的流展向平面和流法向平面，给出边界层内部流动结构的时空发展演化、统计量分布以及空间相关等特征。该试验装置可以在不同拖曳车运动速度下进行，以此研究不同雷诺数下的壁面湍流边界层流动特性。

其中，如图5所示，所述垂直连接组件44包括垂直标定架441，垂直标定架441的一端连接于水平连接板43的底部，垂直标定板45上连接有托架442，托架442通过紧定螺丝与垂直标定架441连接。通过调节水平移动机构42，使得垂直标定板45与垂直片激光基本重合。再通过紧定螺丝对垂直标定板45进行展向微调，可使得垂直标定板45与垂直片激光完全重合。如图5所示，托架442设计成一定的展向宽度。具体地，托架442上设置有安装槽，垂直标定板45设置于安装槽内，安装槽具有一定展向宽度，可通过紧定螺丝调节垂直标定板45在安装槽内的展向位置。

其中，如图6所示，所述水平连接组件48包括延长板481，延长板481的一端连接于垂直移动机构47的输出端上，延长板481的另一端连接有抓板482，水平标定板49通过紧定螺丝与抓板482连接。调节垂直移动机构47，使得水平标定板49与水平片激光基本重合。再通过紧定螺丝对水平标定板49进行展向微调，可使得水平标定板49与水平片激光完全重合。如图6所示，抓板482设计成一定的展向宽度。具体地，抓板482上设置有安装槽，水平标定板49设置于安装槽内，安装槽具有一定展向宽度，可通过紧定螺丝调节水平标定板49在安装槽内的展向位置。

如图7所示，所述水平移动机构42包括水平固定架421，水平固定架421固定于水平标定架41的底部，水平固定架421上转动连接有水平丝杆422，水平丝杆422上螺纹连接有水平移动块423，水平固定架421上设置有水平滑轨424，水平移动块423套设于水平滑轨424上，水平连接板43与水平移动块423固定。水平丝杆422的一端连接由驱动器控制的电机，可实现其高精度转动。当驱动水平丝杆422转动时，由于水平滑轨424对水平移动块423进行导向，在水平丝杆422的驱动下，水平移动块423水平移动，可调节垂直标定板45的展向位置。

如图8所示，所述垂直移动机构47包括垂直固定架471，垂直固定架471固定于垂向连接板46上，垂直固定架471上转动连接有垂直丝杆472，垂直丝杆472上螺纹连接有垂直移动块473，垂直固定架471上设置有垂直滑轨474，垂直移动块473套设于垂直滑轨474上，水平连接组件48与垂直移动块473固定。垂直丝杆472的一端连接由驱动器控制的电机，可实现其高精度转动。当驱动垂直丝杆472转动时，由于垂直滑轨474对垂直移动块473进行导向，在垂直丝杆472的驱动下，垂直移动块473升降调节，可调节水平标定板49的法向位置。

具体地，所述水平测量单元2包括水平面激光器21、若干水平面高速相机22和若干水平面水棱镜23，水平面激光器21、若干水平面高速相机22和若干水平面水棱镜23均设置于拖曳水槽1侧面，若干水平面水棱镜23位于水平面高速相机22的光路中。水平面水棱镜23可以有效减小由水平面高速相机22倾斜拍摄带来的粒子成像畸变。

如图9所示，所述水平面高速相机22连接有水平支架221，水平支架221上安装有水平偏振分光棱镜222。

具体地，所述垂直测量单元3包括垂直面激光器31、若干垂直面高速相机32和若干垂直面水棱镜33，垂直面激光器31、若干垂直面高速相机32和若干垂直面水棱镜33均设置于拖曳水槽1下部，若干垂直面水棱镜33位于垂直面高速相机32的光路中。垂直面水棱镜33可以有效减小由垂直面高速相机32倾斜拍摄带来的粒子成像畸变。

如图10所示，所述垂直面高速相机32连接有垂直支架321，垂直支架321上安装有垂直偏振分光棱镜322。

本发明用于对时空演化的壁面湍流边界层进行有效测量，采用具有时间分辨力的体视粒子图像测速技术捕捉壁面湍流边界层各种拟序流动结构及其演化过程。

在SPIV测量之前，需要进行标定工作，确定测量平面的空间物理坐标与像素平面之间的数字映射关系。将二维标定板放置在激光片光区域范围内，尽量使得标定板表面与片光重合，再沿垂直片光方向前后平移标定板若干次，标定板每次移动后两台相机各采集一次标定板图像。

用于时空演化壁面湍流边界层的SPIV测量、标定方法，包括以下步骤：

S1：标定过程：

拖曳水槽1上设置拖曳小车，拖曳小车的底部连接有拖曳板；垂直面激光器31发出的垂直片激光自拖曳水槽1底部垂直入射至拖曳板下表面展向中心位置；垂直面激光器31发出的垂直片激光和水平面激光器21发出的水平片激光同时照亮欲拍摄的正交平面。

将标定单元4移动至拍摄区域，通过调节水平移动机构42，使垂直标定板45与垂直片激光基本重合；再通过紧定螺丝对垂直标定板45进行展向微调，使垂直标定板45与垂直片激光完全重合；垂直面高速相机32对焦垂直标定板45后，调节水平移动机构42，使垂直标定板45进行若干次展向移动，并分别拍摄标定图像；至此，垂直面标定工作完成。

调节水平移动机构42使水平片激光照亮水平标定板49的展向中心位置；调节垂直移动机构47，使水平标定板49与水平片激光基本重合；再通过紧定螺丝对水平标定板49进行展向微调，使水平标定板49与水平片激光完全重合；水平面高速相机22对焦水平标定板49，并调节垂直移动机构47，使得水平标定板49进行若干次法向移动，分别拍摄标定图像；至此，基于SPIV的正交面标定工作完成。

垂直面水棱镜33和水平面水棱镜23分别置于垂直面高速相机32和水平面高速相机22的光路之中，并紧贴拖曳水槽1侧壁，可以有效减小由高速相机倾斜拍摄带来的粒子成像畸变。

S2：测量过程：

移开标定单元4至拖曳水槽1下游，拖曳水槽1侧壁悬挂有对射型光电开关，拖曳板上设置有示踪剂流出缝，拖曳小车上设置有示踪剂释放水箱，示踪剂释放水箱通过管路与示踪剂流出缝连通。

使拖曳小车匀速运动至拍摄区域时，对射型光电开关感知到拖曳小车的到来，同时触发垂直面高速相机32和水平面高速相机22，垂直面高速相机32和水平面高速相机22分别对由垂直面激光器31发出的垂直片激光和水平面激光器21发出的水平片激光照亮的流场进行粒子图像采集，直至拖曳小车完全离开拍摄区域，采集完成。

如图9～图10所示，由于水平片激光和垂直片激光分别会在垂直面高速相机32和水平面高速相机22的成像中留有光斑，影响粒子成像。由于激光器发出的片激光均为线偏光，因此根据偏振分光原理，偏振分光棱镜通过在直角棱镜的斜面镀制多层膜结构，可使P偏振分量完全透过，而S偏振分量反射。垂直面高速相机32通过垂直支架321加装垂直偏振分光棱镜322，水平面高速相机22通过水平支架221加装水平偏振分光棱镜222，使得只有被偏振态为S光的垂直片激光照亮的粒子透过垂直偏振分光棱镜322进入垂直面高速相机32视野中，偏振态为P光的水平片激光被垂直偏振分光棱镜322反射。同理，被偏振态为P光的水平片激光照亮的粒子透过水平偏振分光棱镜222进入水平面高速相机22视野中，偏振态为S光的垂直片激光被水平偏振分光棱镜222反射。

在本实施例的实际应用中，拖曳水槽1系统和拖曳平板模型系统组合，来产生时空演化的壁面湍流边界层。拖曳小车稳定运行速度范围为0.5～2m/s，相应地，基于边界层厚度的雷诺数最大可达4000。利用基于SPIV的正交面标定系统完成垂直面和水平面的标定工作。基于具有时间分辨力的SPIV，垂直面和水平面同时测量可以多维度展示边界层内部流动结构的时空发展演化过程，定量地研究统计量分布以及空间相关等特征，拟揭示各种拟序结构产生机理及其相互作用和联系。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.用于时空演化壁面湍流边界层的SPIV测量、标定装置，其特征在于：包括拖曳水槽（1），拖曳水槽（1）侧面设置有水平测量单元（2），拖曳水槽（1）下部设置有垂直测量单元（3），拖曳水槽（1）上搭设有标定单元（4）；所述标定单元（4）包括设置于拖曳水槽（1）上的水平标定架（41），水平标定架（41）的底部安装有水平移动机构（42），水平移动机构（42）的输出端固定有水平连接板（43），水平连接板（43）连接有垂直连接组件（44），垂直连接组件（44）连接有竖直设置的垂直标定板（45）；所述水平连接板（43）底部还连接有垂向连接板（46），垂向连接板（46）上连接有垂直移动机构（47），垂直移动机构（47）的输出端连接有水平连接组件（48），水平连接组件（48）连接有水平设置的水平标定板（49）。

2.根据权利要求1所述的用于时空演化壁面湍流边界层的SPIV测量、标定装置，其特征在于：所述垂直连接组件（44）包括垂直标定架（441），垂直标定架（441）的一端连接于水平连接板（43）的底部，垂直标定板（45）上连接有托架（442），托架（442）通过紧定螺丝与垂直标定架（441）连接。

3.根据权利要求1所述的用于时空演化壁面湍流边界层的SPIV测量、标定装置，其特征在于：所述水平连接组件（48）包括延长板（481），延长板（481）的一端连接于垂直移动机构（47）的输出端上，延长板（481）的另一端连接有抓板（482），水平标定板（49）通过紧定螺丝与抓板（482）连接。

4.根据权利要求1所述的用于时空演化壁面湍流边界层的SPIV测量、标定装置，其特征在于：所述水平移动机构（42）包括水平固定架（421），水平固定架（421）固定于水平标定架（41）的底部，水平固定架（421）上转动连接有水平丝杆（422），水平丝杆（422）上螺纹连接有水平移动块（423），水平固定架（421）上设置有水平滑轨（424），水平移动块（423）套设于水平滑轨（424）上，水平连接板（43）与水平移动块（423）固定。

5.根据权利要求1所述的用于时空演化壁面湍流边界层的SPIV测量、标定装置，其特征在于：所述垂直移动机构（47）包括垂直固定架（471），垂直固定架（471）固定于垂向连接板（46）上，垂直固定架（471）上转动连接有垂直丝杆（472），垂直丝杆（472）上螺纹连接有垂直移动块（473），垂直固定架（471）上设置有垂直滑轨（474），垂直移动块（473）套设于垂直滑轨（474）上，水平连接组件（48）与垂直移动块（473）固定。

6.根据权利要求1所述的用于时空演化壁面湍流边界层的SPIV测量、标定装置，其特征在于：所述水平测量单元（2）包括水平面激光器（21）、若干水平面高速相机（22）和若干水平面水棱镜（23），水平面激光器（21）、若干水平面高速相机（22）和若干水平面水棱镜（23）均设置于拖曳水槽（1）侧面，若干水平面水棱镜（23）位于水平面高速相机（22）的光路中。

7.根据权利要求6所述的用于时空演化壁面湍流边界层的SPIV测量、标定装置，其特征在于：所述水平面高速相机（22）连接有水平支架（221），水平支架（221）上安装有水平偏振分光棱镜（222）。

8.根据权利要求1所述的用于时空演化壁面湍流边界层的SPIV测量、标定装置，其特征在于：所述垂直测量单元（3）包括垂直面激光器（31）、若干垂直面高速相机（32）和若干垂直面水棱镜（33），垂直面激光器（31）、若干垂直面高速相机（32）和若干垂直面水棱镜（33）均设置于拖曳水槽（1）下部，若干垂直面水棱镜（33）位于垂直面高速相机（32）的光路中。

9.根据权利要求8所述的用于时空演化壁面湍流边界层的SPIV测量、标定装置，其特征在于：所述垂直面高速相机（32）连接有垂直支架（321），垂直支架（321）上安装有垂直偏振分光棱镜（322）。

10.用于时空演化壁面湍流边界层的SPIV测量、标定方法，使用权利要求1～9任意一项所述的用于时空演化壁面湍流边界层的SPIV测量、标定装置，其特征在于：包括以下步骤：

S1：标定过程：

拖曳水槽（1）上设置拖曳小车，拖曳小车的底部连接有拖曳板；垂直面激光器（31）发出的垂直片激光自拖曳水槽（1）底部垂直入射至拖曳板下表面展向中心位置；垂直面激光器（31）发出的垂直片激光和水平面激光器（21）发出的水平片激光同时照亮欲拍摄的正交平面；

将标定单元（4）移动至拍摄区域，通过调节水平移动机构（42），使垂直标定板（45）与垂直片激光基本重合；再对垂直标定板（45）进行展向微调，使垂直标定板（45）与垂直片激光完全重合；垂直面高速相机（32）对焦垂直标定板（45）后，调节水平移动机构（42），使垂直标定板（45）进行若干次展向移动，并分别拍摄标定图像；至此，垂直面标定工作完成；

调节水平移动机构（42）使水平片激光照亮水平标定板（49）的展向中心位置；调节垂直移动机构（47），使水平标定板（49）与水平片激光基本重合；再对水平标定板（49）进行展向微调，使水平标定板（49）与水平片激光完全重合；水平面高速相机（22）对焦水平标定板（49），并调节垂直移动机构（47），使得水平标定板（49）进行若干次法向移动，分别拍摄标定图像；至此，基于SPIV的正交面标定工作完成；

S2：测量过程：

移开标定单元（4）至拖曳水槽（1）下游，拖曳水槽（1）侧壁悬挂有对射型光电开关，拖曳板上设置有示踪剂流出缝，拖曳小车上设置有示踪剂释放水箱，示踪剂释放水箱通过管路与示踪剂流出缝连通；

使拖曳小车匀速运动至拍摄区域时，对射型光电开关感知到拖曳小车的到来，同时触发垂直面高速相机（32）和水平面高速相机（22），垂直面高速相机（32）和水平面高速相机（22）分别对由垂直面激光器（31）发出的垂直片激光和水平面激光器（21）发出的水平片激光照亮的流场进行粒子图像采集，直至拖曳小车完全离开拍摄区域，采集完成。