CN220398850U - 一种基于piv技术分析螺旋桨周围流动状态试验台 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于PIV技术分析螺旋桨周围流动状态试验台，所述试验台包括驱动模块（Ⅰ）、螺旋桨转动模块（Ⅱ）、PIV测试模块（Ⅲ）、液体循环流动模块（Ⅳ）；其特征在于：所述驱动模块（Ⅰ）由调速电机产生动力，通过螺旋桨转动模块（Ⅱ）中的联轴器将动力传递到转轴，带动转轴上的螺旋桨旋转，改变电机转速可进而改变螺旋桨转速；工作液体由密封箱流水口流出进入水箱，然后通过调速电机驱动齿轮泵将其泵入密封箱，形成封闭循环流道。本实用新型解决了螺旋桨叶片周围流动不可测量的技术难题，利用PIV技术得到螺旋桨叶片周围的复杂流动状态，可验证CFD数值计算的正确性，同时为螺旋桨叶片三维边界层的微观研究奠定了实验基础。
Description
技术领域
本实用新型属于测试试验台技术领域，具体涉及一种基于PIV技术分析螺旋桨附近流体的流动状态的试验台。
背景技术
船用螺旋桨自发明以来，作为目前使用极广的一种推进器，在整个船舶工业中具有至关重要的作用。螺旋桨是依靠搅拌液体能来传递动力的推进器，螺旋桨叶片在工作中推动周围的水旋转，产生了巨大的推力，驱动船舶航行。同时，由于在旋转过程中，螺旋桨叶片带动水流会产生复杂流动状态的涡核结构，影响叶片的性能和使用寿命。
作为典型液体介质下的定子/转子叶片附近的流动问题，螺旋桨叶片周边的流动是不规则、多尺度、复杂的非定常流动，具有极强的扩散性和耗散性。近些年，研究者们利用CFD技术数值模拟和分析液力元件及水下机械的部分元件。
由于CFD技术的计算结果的精度往往取决于对复杂流场仿真前置处理时的边界条件、物性参数等的定义是否真正与实际的一致性，计算方法与后置处理是否准确等方面，同时，数值工作自身仍然有许多理论问题有待解决，离散化不仅会引起定量的误差，同时也会引起定性的误差。所以，CFD仿真结果需要得到试验或实际物理流场的验证才可靠。
因此，设计一种可以对螺旋桨周围流场状态进行测试的装置对于验证CFD数值模拟方法的有效性及计算结果的可靠性十分必要。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于PIV技术分析螺旋桨附近流体的流动状态的试验台，通过试验验证螺旋桨流场仿真计算结果精度。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种基于PIV技术的螺旋桨流场分析试验台，包括驱动模块Ⅰ、螺旋桨转动模块Ⅱ、PIV测试模块Ⅲ、液体循环流动模块Ⅳ；所述的螺旋桨转动模块通过驱动模块中调速电机1控制，在调速电机1的控制下，动力通过联轴器3传递到转轴，带动转轴上的螺旋桨4旋转；PIV测试模块利用激光器9和CCD相机8，对液体流动模块产生的不同工况下螺旋桨周围的流动状态进行采集，验证CFD数值计算的准确性；
所述驱动模块Ⅰ由调速电机1产生动力，通过螺旋桨转动模块Ⅱ中的联轴器3将动力传递到转轴，带动转轴上的螺旋桨4旋转，改变电机转速可进而改变螺旋桨转速；工作液体由密封箱5流水口流出进入水箱5，然后通过调速电机驱动齿轮泵7将其泵入密封箱，形成封闭循环流道；PIV测试模块Ⅲ利用激光器9和CCD相机8，对不同流体流量以及螺旋桨不同转速情况下螺旋桨周围的流动状态进行采集；
所述螺旋桨转动模块Ⅱ通过密封胶与密封箱5进行固定，使螺旋桨保持相对位置不变；
所述PIV测试模块Ⅲ的密封箱5为透明有机玻璃材料，工作液体的流场具有可视性；
所述的驱动模块Ⅰ由电源模块、调速模块、电机1和支承座2组成；调速电机1通过电机支承座2固定在整体支座上；调速电机的输出轴驱动螺旋桨转动模块中的螺旋桨4旋转；为不妨碍流出管路的放置，该电机支承座2设计成N型支承座；
所述的螺旋桨转动模块Ⅱ有联轴器3、螺旋桨4、螺旋桨密封装置；螺旋桨4通过联轴器3相连，实现螺旋桨的固定与转动；所述的螺旋桨密封装置为螺旋桨叶片区入口密封，入口处采用机械密封方式；所述螺旋桨是利用3D打印技术打印出的按照比例缩小的光滑叶片螺旋桨模型，并安装到试验台相应位置；
所述螺旋桨叶片区入口密封采用密封胶将联轴器3与PIV测试模块中的密封箱5进行密封，保证螺旋桨的相对高度和位置不变；
所述液体循环流动模块Ⅳ包括水箱7、液体流入装置和液体流出装置；所述液体流入装置包括管道、控制阀以及齿轮泵6；液体流出装置包括管道、控制阀、传感器及流量计；为使试验效果明显，在工作液体中加入示踪粒子，能够能清楚的观察到螺旋桨附近流畅的状态；
所述的液体流入、流出装置均设有O型密封圈；
所述PIV测试模块Ⅲ包括密封箱5、激光器9、CCD相机8、计时单元10；其中，激光器9发射光源为片状光；CCD相机8通过支架放置于密封箱上方，记录螺旋桨周围流场状态。
本实用新型的有益效果在于：
解决了螺旋桨叶片周围流动不可测量的技术难题，利用PIV技术得到螺旋桨叶片周围的复杂流动状态，可验证CFD数值计算的正确性，同时为螺旋桨叶片三维边界层的微观研究奠定了实验基础。
附图说明
图1是本实用新型所述一种基于PIV技术的螺旋桨流场分析试验台整体结构示意图
图2是本实用新型PIV测试模块示意图
图中：
Ⅰ、驱动模块；Ⅱ、螺旋桨转动模块；Ⅲ、PIV测试模块；Ⅳ、液体循环流动模块；
1、调速电机；2、支承座；3、联轴器；4、螺旋桨；5、密封箱；6、齿轮泵；7、水箱；8、CCD相机；9、激光器；10、计时单元；11、笔记本电脑
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行详细说明。
结合图1所示的本实用新型的整体结构示意图，可见本实用新型的一种基于PIV技术螺旋桨流场分析试验台，主要包括驱动模块Ⅰ、螺旋桨转动模块Ⅱ、PIV测试模块Ⅲ、液体循环流动模块Ⅳ；所述的螺旋桨转动模块Ⅱ通过驱动模块中调速电机1控制，在调速电机1的控制下，动力通过联轴器3传递到转轴，带动转轴上的螺旋桨4旋转；PIV测试模块Ⅲ利用激光器9和CCD相机8，对液体流动模块产生的不同工况下螺旋桨周围的流动状态进行采集，验证CFD数值计算的准确性；
所述驱动模块Ⅰ由调速电机1产生动力，通过螺旋桨转动模块Ⅱ中的联轴器3将动力传递到转轴，带动转轴上的螺旋桨4旋转，改变电机转速可进而改变螺旋桨转速，通过调节不同水的流量及不同螺旋桨的转速模拟出各个工况实际的工作环境，整个循环系统中会形成一个压力稳定的均匀流场；工作液体由密封箱流水口流出进入水箱7，然后通过调速电机1驱动齿轮泵6将其泵入密封箱5，形成封闭循环流道；PIV测试模块Ⅲ利用激光器9和CCD相机8，对不同流体流量以及螺旋桨不同转速情况下螺旋桨周围的流动状态进行采集；
所述螺旋桨转动模块Ⅱ通过密封胶与密封箱5进行固定，使螺旋桨保持相对位置不变；
所述PIV测试模块Ⅲ的密封箱为透明有机玻璃材料，工作液体的流场具有可视性；
所述的驱动模块Ⅰ由电源模块、调速模块、电机1和支承座2组成；调速电机1通过电机支承座2固定在整体支座上；调速电机的输出轴驱动螺旋桨转动模块中的螺旋桨4旋转；为不妨碍流出管路的放置，该电机支承座2设置成N型支承座；
所述的螺旋桨转动模块Ⅱ有联轴器3、螺旋桨4、螺旋桨密封装置；螺旋桨4通过联轴器3相连，实现螺旋桨的固定与转动；所述的螺旋桨密封装置为螺旋桨叶片区入口密封，入口处采用机械密封方式；所述螺旋桨4是利用3D打印技术打印出的按照比例缩小的光滑叶片螺旋桨模型，并安装到试验台相应位置。
所述螺旋桨叶片区入口密封采用密封胶将联轴器3与PIV测试模块中的密封箱5进行密封，保证螺旋桨的相对高度和位置不变；
所述液体循环流动模块Ⅳ包括水箱7、液体流入装置和液体流出装置；所述液体流入装置包括管道、控制阀以及齿轮泵6，齿轮泵6与自身的驱动装置中的电动机相连接，完成传动；液体流出装置包括管路、控制阀、传感器及流量计；为使试验效果明显，在工作液体中加入示踪粒子，能够能清楚的观察到螺旋桨附近流畅的状态；试验时，在水箱中添加水，确保水泵水管内的空气排空后，添加示踪粒子，盖上有机玻璃盖板，压在水面上，确保有机玻璃盖板下方没有大气泡。
所述的液体流入、流出装置均设有O型密封圈；
图2为本实用新型PIV测试模块示意图，结合图2，可见所述的PIV测试模块Ⅲ包括密封箱5、激光器9、CCD相机8、计时单元10以及笔记本电脑11；
其中，密封箱5置于四个支撑块上以保持水平；激光器9发射光源为片状光；CCD相机8通过支架放置于密封箱上方，记录螺旋桨周围流场状态由于要模拟不同工况下的流场速度等分布情况，需要根据不同工况设置螺旋桨的转速值；笔记本11与计时单元10将对试验过程中CCD相机采集到的不同工况下螺旋桨周围的流动状态进行收集，并提取速度场及涡量场进行分析。
上述模块原理介绍仅用于本实用新型，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本实用新型技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本实用新型保护范围之外。
Claims (5)
1.一种基于PIV技术分析螺旋桨周围流动状态试验台，所述试验台包括驱动模块（Ⅰ）、螺旋桨转动模块（Ⅱ）、PIV测试模块（Ⅲ）、液体循环流动模块（Ⅳ）；其特征在于：
所述驱动模块（Ⅰ）由调速电机产生动力，通过螺旋桨转动模块（Ⅱ）中的联轴器将动力传递到转轴，带动转轴上的螺旋桨旋转，改变电机转速可进而改变螺旋桨转速；工作液体由密封箱流水口流出进入水箱，然后通过调速电机驱动齿轮泵将其泵入密封箱，形成封闭循环流道；PIV测试模块（Ⅲ）利用激光器和CCD相机，对不同流体流量以及螺旋桨不同转速情况下螺旋桨周围的流动状态进行采集；
所述螺旋桨转动模块（Ⅱ）通过密封胶与密封箱进行固定，使螺旋桨保持相对位置不变；
所述PIV测试模块（Ⅲ）的密封箱为透明有机玻璃材料，工作液体的流场具有可视性。
2.根据权利要求1所述的一种基于PIV技术分析螺旋桨周围流动状态试验台，其特征在于：
所述的驱动模块（Ⅰ）由电源模块、调速模块和电机支承座组成；调速电机通过电机支承座固定在整体支座上；调速电机的输出轴驱动螺旋桨转动模块中的螺旋桨旋转。
3.根据权利要求1所述的一种基于PIV技术分析螺旋桨周围流动状态试验台，其特征在于：
所述的螺旋桨转动模块（Ⅱ）有联轴器、螺旋桨、螺旋桨密封装置；所述的螺旋桨密封装置为螺旋桨叶片区入口密封，入口处采用机械密封方式，将联轴器与密封箱之间进行密封和固定。
4.根据权利要求1所述的一种基于PIV技术分析螺旋桨周围流动状态试验台，其特征在于：
所述液体循环流动模块（Ⅳ）包括水箱、液体流入装置和液体流出装置；所述液体流入装置包括管道、控制阀以及齿轮泵，齿轮泵与驱动装置中的电动机相连接；液体流出装置包括管路、控制阀、传感器及流量计；
所述的液体流入、流出装置均设有O型密封圈。
5.根据权利要求1所述的一种基于PIV技术分析螺旋桨周围流动状态试验台，其特征在于：
所述PIV测试模块（Ⅲ）包括密封箱、激光器以及CCD相机；
其中，激光器发射光源为片状光；CCD相机通过支架放置于密封箱上方，记录螺旋桨周围流场状态。
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