CN212807559U - 一种水下沟槽内部流场测量系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型一种水下沟槽内部流场测量系统，激光器、导光臂、透镜组、同步控制器、高速相机、全反射等腰直角三棱镜和水槽；同步控制器连接激光器和高速相机；全反射等腰直角三棱镜，安装在开设有沟槽的平板上，置于水槽内部；高速相机放置于水槽外部，对准全反射等腰直角三棱镜；激光器的输出连接导光臂的一端，导光臂的另一端连接透镜组，激光器产生点光源进入导光臂；导光臂传输点光源至透镜组；透镜组将点光源转换为平行激光片光，照射在沟槽上；全反射等腰直角三棱镜将入射光反射至高速相机，解决沟槽内部空间流场拍摄难题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种水下沟槽内部流场测量系统，属于流体力学试验技术领域。
背景技术
随着全球能源消耗的不断上升,人们越来越认真考虑如何有效地利用和保护能源,探求节约能源的新方法和新技术,其主要途径之一就是在各种运输工具的设计中,尽量减少表面摩擦阻力。对于典型的长航程飞机，燃油的消耗约占其直接成本的22％，这对航空公司来说极为重要。减阻会直接减少运行成本，阻力减少1％能够使长航程飞机的成本下降约0.2％。另外阻力减少1％，意味着可以增加1.6吨的载重或10个乘客。在这些民航飞机的大部分区域，流动都处于湍流状态，所以研究湍流边界层减阻意义重大。
仿生沟槽减阻作为一种简单实用的被动湍流减阻技术受到了众多研究者的关注，国内外学者对沟槽面湍流边界层流动结构及其相关规律进行了大量研究，发现沟槽可使边界层转捩推迟，在湍流边界层区域具有减阻特性，而且可使近壁区紊动特性发生变化，减阻与近壁区无量纲条带间距的减小相联系。并由此提出了两种沟槽减阻机理：“第二涡群”理论及“突出高度”理论，“第二涡群”理论认为主流与沟槽作用产生和流向涡旋方向相反的二次涡，减弱了猝发的频率；“突出高度”理论认为沟槽使得粘性底层厚度增加，从而形成减阻。虽然两种减阻理论均有一定的试验验证，但是均是统计边界层对数区及以外的区域观测得到(沟槽外部)，对于沟槽内部是怎样流动的、沟槽内部的流动对于外部的流场具有怎样的影响均没有相应的试验进行研究，因此对于沟槽减阻机理还没有形成统一的减阻理论，严重限制着仿生沟槽减阻在大型客机、民机上的应用推广。想要真正实现沟槽减阻的实际应用，就要搞清楚沟槽减阻的机理。因此需要开展沟槽内部流场的流动结构分析，摸清沟槽对湍流底层结构的影响规律，为减阻机理提供最直接的试验依据。
目前，针对沟槽内部空间的拍摄大都采用将相机置于水槽中的测试方法，将相机置于水中拍摄不仅操作难度大，且对于相机外罩的密封性要求极高，一旦出现漏水会对相机造成不可逆的损害；且相机固定于水中，受到水速的冲击，可能会发生震动和摇晃等现象，影响拍摄平面的成像；此外，相机置于水中拍摄，由于沟槽末端的模型实体的遮挡，相机拍摄平面和激光片光平面也不垂直，无法满足测试的精度需求及机理研究的精细流场结构。
实用新型内容
本实用新型解决的技术问题为：克服上述现有技术的不足，提供一种水下沟槽内部流场测量系统，解决沟槽内部空间流场拍摄难题，为沟槽减阻机理提供湍流边界层底层的原始实验数据。
本实用新型解决的技术方案为：一种水下沟槽内部流场测量系统，包括：激光器(1)、导光臂(6)、透镜组(7)、同步控制器(9)、高速相机(5)、全反射等腰直角三棱镜(4)和水槽(8)；
同步控制器(9)连接激光器(1)和高速相机(5)；
全反射等腰直角三棱镜(4)，安装在开设有沟槽(3)的平板上，置于水槽(8)内部；
高速相机(5)放置于水槽(8)外部，对准全反射等腰直角三棱镜(4)；
激光器(1)的输出连接导光臂(6)的一端，导光臂(6)的另一端连接透镜组(7)，激光器(1)产生点光源进入导光臂(6)；导光臂(6)传输点光源至透镜组(7)；透镜组(7)将点光源转换为平行激光片光(2)，照射在沟槽(3)上；全反射等腰直角三棱镜(4)将入射光反射至高速相机(5)成像。
优选的，激光器(1)和高速相机(5)收到同步控制器(9)发出的触发信号后，激光器(1)产生点光源，通过导光臂(6)进入透镜组(7)，由透镜组(7)将点光源变为平行激光片光(2)，垂直照射在沟槽(3)上，全反射等腰直角三棱镜(4)接收入射光，反射至高速相机(5)上进行成像，实现沟槽(3)内部流场的测量，得到沟槽(3)内部流场图像。
优选的，全反射等腰直角三棱镜(4)，为横截面为等腰直角三角形的三棱镜，且对入射光全反射。
优选的，同步控制器(9)根据设定的采集时序给激光器(1)和高速相机(5)提供触发信号。
优选的，全反射等腰直角三棱镜(4)安装在开设有沟槽(3)的平板上，具体为：在沟槽(3)末端和平板连接处按照全反射等腰直角三棱镜(4)的尺寸设置开槽，将全反射等腰直角三棱镜(4)嵌入开槽中并进行固定，全反射等腰直角三棱镜(4)与开设有沟槽(3)的平板形成仿生沟槽模型。
优选的，沟槽(3)末端是指：若沟槽(3)的一端至另一端的方向与水槽(8)内水流方向一致，则沟槽(3)末端是指沟槽的另一端。
优选的，高速相机(5)的光轴平行于平行激光片光(2)所在的平面。
优选的，高速相机(5)能够设定采集频率。
优选的，高速相机(5)连接流场图像处理器.
优选的，能够与流场图像处理器配合，流场图像处理器根据沟槽内部流场图像，对图像进行速度场分析，能够得到沟槽内部的流场结构和动态演化信息。
本实用新型与现有技术相比的优点在于：
(1)本实用新型测量系统结构简单，易于实现，本实用新型在平板中嵌入全反射棱镜即可，通过光线的全反射进行拍摄，无需将相机放置在水中，便于实现和操作；
(2)本实用新型测量系统稳定性好，全反射棱镜和模型形成一个整体，不受其他因素影响，测量精度高，重复性好。
(3)本实用新型测量系统解决了沟槽内部空间的拍摄问题，传统的方法只能测量沟槽上部的流场区域，流场内部的区域由于模型实体的阻挡无法进行流场拍摄，得不到关键的流场演化信息，本实用新型通过将沟槽内部空间进行垂直方向的转换，实现了沟槽内部空间的流场拍摄。
(4)本实用新型测量系统中采用了全反射等腰直角三棱镜是一种截面为等腰直角的棱镜，可将水平截面转换为垂直截面的观测，通过拍摄截面的转换，不仅避免了将相机放置于水中的难题，还解决了沟槽内部流场的拍摄问题。
附图说明
图1为设有全反射等腰直角三棱镜的带沟槽的平板模型示意图；
图2为本实用新型的水下沟槽内部流场测量系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细描述。
本实用新型一种水下沟槽内部流场测量系统，激光器、导光臂、透镜组、同步控制器、高速相机、全反射等腰直角三棱镜和水槽；同步控制器连接激光器和高速相机；全反射等腰直角三棱镜，安装在开设有沟槽的平板上，置于水槽内部；高速相机放置于水槽外部，对准全反射等腰直角三棱镜；激光器的输出连接导光臂的一端，导光臂的另一端连接透镜组，激光器产生点光源进入导光臂；导光臂传输点光源至透镜组；透镜组将点光源转换为平行激光片光，照射在沟槽上；全反射等腰直角三棱镜将入射光反射至高速相机，解决沟槽内部空间流场拍摄难题。
如图1所示，设有全反射等腰直角三棱镜的带沟槽的平板模型示意图，3表示沟槽，4表示全反射等腰直角三棱镜，11表示平板，
如图2所示，水下沟槽内部流场测量系统示意图中，1表示激光器，2表示激光片光，3表示沟槽，4表示全反射三棱镜，5表示高速相机，6表示导光臂，7表示透镜组，8表示水槽，9表示同步控制器。
本实用新型的仿生沟槽减阻作为被动湍流减阻方式，能够使边界层转捩推迟，在湍流边界层区域具有减阻特性，而且可使近壁区紊动特性发生变化。目前大型客机、水面舰船、汽车等为减少能源消耗，纷纷开始沟槽减阻机理的探索，以提高沟槽减阻的性能。但是目前的相关理论均是统计边界层对数区及以外的区域观测得到(沟槽外部)，对于沟槽内部是怎样流动的、沟槽内部的流动对于外部的流场具有怎样的影响均没有相应的试验进行研究，为有效探索沟槽减阻机理，本实用新型提出一种沟槽内部流场的测量系统，利用此系统能够解决沟槽内部流场测量困难、精度低的问题，能够有效获得沟槽内部的流场演化信息，为提出沟槽减阻机理提供详细的试验数据。
如图1所示，为设有全反射等腰直角三棱镜的带沟槽的平板模型示意图，沟槽(3)轴线方向和水流方向一致，三棱镜(4)斜面对准沟槽，放置于沟槽末端和平板连接处，平板(11)为沟槽载体，A-A截面及B-B截面分别为沿流向及垂直流向方向剖视图。
如图2所示为本实用新型的水下沟槽内部流场测量系统示意图，包括激光器(1)、激光片光(2)、沟槽(3)、全反射等腰直角三棱镜(4)、高速相机(5)、导光臂(6)、透镜组(7)、水槽(8)及同步控制器(9)。
激光器(1)优选采用Nd:YLF倍频双腔脉冲激光器，输出波长优选为527nm，激光脉冲能量优选不小于20mJ，脉冲频率优选不低200Hz。
导光臂由转向节、反射镜、聚焦镜及封闭光路等组成。可实现任意方向、角度的调节，能够有效改变激光片光的输出方向和位置。
相机优选采用高速CMOS芯片相机，分辨率优选为1280*800像素，拍摄速率优选不低于2kHz,相机对准全反射等腰直角三棱镜，和三棱镜(即全反射等腰直角三棱镜)的距离优选为630mm，相机轴线平行于片光，相机透镜前端安装滤波片，消除杂散光的影响。
透镜组由一个柱面镜和一个球面镜组成，柱面镜将激光扩展到一个平面上，球面透镜控制片光厚度，两者依次排列，轴线相互重合，
优选方案为：柱面透镜距出光口优选为50mm，透镜焦距优选为20mm，球面透镜距柱面镜优选为100mm，焦距优选为500mm，将出口直径优选为5mm的光斑在距离出光口优选为630mm处的地方形成一个面积优选为120mm*200mm、厚度优选小于1mm的薄片光，以进一步提高透镜组的效果。
同步控制器能够通过调节触发信号的时序，保证相机在曝光拍摄时，激光脉冲刚好同步照亮流场中的示踪粒子，其时序控制误差优选小于1ns。
全反射三棱镜(全称：全反射等腰直角三棱镜)截面为等腰直角，能够将目标改变90°进行成像，为提高三棱镜反射效率，在三棱镜以截面直角三角形斜边为宽和棱镜高度为长的面上镀一层锌，保证三棱镜的反射效率大于99％，并将三棱镜固定在沟槽末端与平板的连接处，三棱镜斜面对准沟槽。
示踪粒子使用聚酰胺示踪粒子，平均直径优选为50um,密度优选为1.03g/cm3，保证该粒子在跟随性较好的前提下具有较大粒径以保持很好的光散射效果，提高图像的信噪比。示踪粒子提前混入水槽中，使之在水槽中混合均匀。水槽背景湍流度优选小于0.2％，流速不稳定性小于％。
本实用新型在沟槽和平板的连接处加工一个以沟槽高度为直角边的45°等腰直角三棱柱凹槽，用于安装全反射三棱镜，将沟槽内部的平行于片光方向的流动反射到全反射三棱镜上，再经优选的45°全反射三棱镜反射到相机中，优选在全反射三棱镜上以截面直角三角形斜边为宽和棱镜高度为长的面上镀一层锌，提高反射效率；用于流场拍摄的数字相机不置于水中进行测量，而是在水槽外部，直接对准三棱镜拍摄即可，本实用新型不仅大幅度减小了设备的安装难度和调试难度，避免了相机在水中的密封安全性问题，还解决了沟槽内部流场区域无法拍摄的问题。
本实用新型的一种水下沟槽内部流场测量系统，采用的优选测量方式具体如下：
将开设有沟槽的平板上安装全反射等腰直角三棱镜；在沟槽末端和平板连接处按照全反射等腰直角三棱镜的尺寸进行开槽，将全反射棱镜嵌入开槽中并进行固定，形成仿生沟槽模型；
将仿生沟槽模型置于水槽中进行安装和固定，搭建实验系统，实验系统，包括：激光器、导光臂、透镜组、同步控制器和高速相机；激光器能够产生点光源，通过导光臂进入透镜组，由透镜组将点光源变为平行激光片光，照射在沟槽上；
将相机放置于水槽外部，对准全反射等腰直角三棱镜，相机的光轴平行于平行激光片光所在的平面；
通过调节导光臂和透镜组的位置，调节平行激光片光位置，使平行激光片光垂直照射在沟槽上；通过调节激光器的输出功率，调节平行激光片光的强度，达到设定的强度要求；
设定高速相机的采集频率，并通过同步控制器根据设定的采集时序给激光器和高速相机提供触发信号，完成实验系统的设置；
在水槽内混入聚酰胺示踪粒子，开启水槽使水流开始流动，等待一段时间(优选15分钟)使示踪粒子在水中混合均匀。打开试验系统，完成试验系统的设置，激光器和高速相机收到同步控制器发出的触发信号后，激光器产生点光源，通过导光臂进入透镜组，由透镜组将点光源变为平行激光片光，垂直照射在沟槽上，投影到全反射等腰直角三棱镜上，再经过全反射等腰直角三棱镜反射至高速相机上进行成像，实现沟槽内部流场的测量，得到沟槽内部流场图像。
优选还包括步骤(5)，(5)根据沟槽内部流场图像，对图像进行速度场分析，能够得到沟槽内部的流场结构和动态演化信息。
为进一步提高本测量系统的精度，进一步优选采用Nd:YLF脉冲激光器，脉冲能量优选为25mJ，波长优选为527nm；透镜组产生片光源厚度优选为1mm；相机优选高速CMOS相机，相机采集频率优选为400Hz；示踪粒子优选采用聚酰胺，平均粒径优选为50um；水槽来流速度优选为0.15m/s；同步控制器控制精度小于1ns。经过对本实用新型系统的测试，流场测量精度达到了1％，具有非常好的测量效果。
本实用新型测量系统解决了沟槽内部空间的拍摄问题，传统的方法只能测量沟槽上部的流场区域，流场内部的区域由于模型实体的阻挡无法进行流场拍摄，得不到关键的流场演化信息，本实用新型通过将沟槽内部空间进行垂直方向的转换，实现了沟槽内部空间的流场拍摄，且本实用新型测量系统中采用了全反射等腰直角三棱镜是一种截面为等腰直角的棱镜，可将水平截面转换为垂直截面的观测，通过拍摄截面的转换，不仅避免了将相机放置于水中的难题，还解决了沟槽内部流场的拍摄问题。
本实用新型测量系统结构简单，易于实现，本实用新型在平板中嵌入全反射三棱镜即可，通过光线的全反射进行拍摄，无需将相机放置在水中，便于实现和操作；本实用新型测量系统稳定性好，全反射棱镜和模型形成一个整体，不受其他因素影响，测量精度高，重复性好。
Claims (10)
1.一种水下沟槽内部流场测量系统，其特征在于包括：激光器(1)、导光臂(6)、透镜组(7)、同步控制器(9)、高速相机(5)、全反射等腰直角三棱镜(4)和水槽(8)；
同步控制器(9)连接激光器(1)和高速相机(5)；
全反射等腰直角三棱镜(4)，安装在开设有沟槽(3)的平板上，置于水槽(8)内部；
高速相机(5)放置于水槽(8)外部，对准全反射等腰直角三棱镜(4)；
激光器(1)的输出连接导光臂(6)的一端，导光臂(6)的另一端连接透镜组(7)，激光器(1)产生点光源进入导光臂(6)；导光臂(6)传输点光源至透镜组(7)；透镜组(7)将点光源转换为平行激光片光(2)，照射在沟槽(3)上；全反射等腰直角三棱镜(4)将入射光反射至高速相机(5)成像。
2.根据权利要求1所述的一种水下沟槽内部流场测量系统，其特征在于：激光器(1)和高速相机(5)收到同步控制器(9)发出的触发信号后，激光器(1)产生点光源，通过导光臂(6)进入透镜组(7)，由透镜组(7)将点光源变为平行激光片光(2)，垂直照射在沟槽(3)上，全反射等腰直角三棱镜(4)接收入射光，反射至高速相机(5)上进行成像，实现沟槽(3)内部流场的测量，得到沟槽(3)内部流场图像。
3.根据权利要求1所述的一种水下沟槽内部流场测量系统，其特征在于：全反射等腰直角三棱镜(4)，为横截面为等腰直角三角形的三棱镜，且对入射光全反射。
4.根据权利要求1所述的一种水下沟槽内部流场测量系统，其特征在于：同步控制器(9)根据设定的采集时序给激光器(1)和高速相机(5)提供触发信号。
5.根据权利要求1所述的一种水下沟槽内部流场测量系统，其特征在于：全反射等腰直角三棱镜(4)安装在开设有沟槽(3)的平板上，具体为：在沟槽(3)末端和平板连接处按照全反射等腰直角三棱镜(4)的尺寸设置开槽，将全反射等腰直角三棱镜(4)嵌入开槽中并进行固定，全反射等腰直角三棱镜(4)与开设有沟槽(3)的平板形成仿生沟槽模型。
6.根据权利要求5所述的一种水下沟槽内部流场测量系统，其特征在于：沟槽(3)末端是指：若沟槽(3)的一端至另一端的方向与水槽(8)内水流方向一致，则沟槽(3)末端是指沟槽的另一端。
7.根据权利要求1所述的一种水下沟槽内部流场测量系统，其特征在于：高速相机(5)的光轴平行于平行激光片光(2)所在的平面。
8.根据权利要求1所述的一种水下沟槽内部流场测量系统，其特征在于：高速相机(5)能够设定采集频率。
9.根据权利要求1所述的一种水下沟槽内部流场测量系统，其特征在于：高速相机(5)连接流场图像处理器。
10.根据权利要求1所述的一种水下沟槽内部流场测量系统，其特征在于：能够与流场图像处理器配合，流场图像处理器根据沟槽内部流场图像，对图像进行速度场分析，能够得到沟槽内部的流场结构和动态演化信息。
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|---|---|---|---|---|
| CN113551873A (zh) * | 2021-08-25 | 2021-10-26 | 中石化石油工程技术服务有限公司 | 基于流场测试的压裂液缝内减阻性能测试装置及方法 |
| CN113704895A (zh) * | 2021-10-22 | 2021-11-26 | 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 | 一种抑制Görtler涡二次失稳的装置及方法及存储介质 |
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| CN113551873A (zh) * | 2021-08-25 | 2021-10-26 | 中石化石油工程技术服务有限公司 | 基于流场测试的压裂液缝内减阻性能测试装置及方法 |
| CN113551873B (zh) * | 2021-08-25 | 2024-05-24 | 中石化石油工程技术服务有限公司 | 基于流场测试的压裂液缝内减阻性能测试装置及方法 |
| CN113704895A (zh) * | 2021-10-22 | 2021-11-26 | 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 | 一种抑制Görtler涡二次失稳的装置及方法及存储介质 |
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