[發明專利]水洞實驗用非定常空化流激振動多場同步測量系統

在審

• 申請號: 201711020790.X
• 申請日: 2017-10-27
• 公開（公告）號: CN107907296A
• 公開（公告）日: 2018-04-13
• 發明（設計）人: 吳欽;劉明;徐昀;曹樹良
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00
• 代理公司: 北京理工正陽知識產權代理事務所(普通合伙)11639
• 代理人: 王民盛

技術領域

本發明涉及一種水洞實驗用非定常空化流激振動多場同步測量系統，屬于船舶與水下航行器工程、水利水電工程技術領域。

背景技術

空化是液體內部局部壓力下降至液體飽和蒸汽壓時發生的一種相變現象，空化的發生往往會導致結構表面破壞、系統效率下降以及結構的振動、噪聲等一系列問題。其中，非定常空化流激振動是關系到水中兵器、水下發射、航空航天等多個國防工業領域面臨的核心關鍵技術問題。復雜水力環境下的流固耦合效應會導致系統動力特性明顯改變，并與流速、壓力、湍動能、渦湍粘性等流動參數的變化緊密關聯，隨流態變化而異，這顯著加劇了流激振動問題的研究難度。

國內外學者對水中繞流物體的空化流激振動特性及其影響因素進行了大量的實驗研究工作。其中，對于空化流場形態，研究主要采用紋影法、全息顯示技術和高速攝像法等；對于結構振動特性，研究主要利用加速度傳感器、激光多普勒測振儀等。然而目前對空化流激振動的研究工作大多是針對單一流場結構、空穴形態的觀察或單一結構場振動速度、幅度的測量，缺乏對同一時刻流場與結構場之間相互作用關系的認識，難以對非定常空化流激振動過程中的多場耦合復雜流動現象進行全面的研究。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有采用單一測量設備實驗方法無法同時獲取非定常空化流激振動現象中瞬態流場形態和結構場振動特性的問題，本發明公開的一種水洞實驗用非定常空化流激振動多場同步測量系統。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的：

一種水洞實驗用非定常空化流激振動多場同步測量系統，包括：實驗段、實驗模型、高速攝像機，同步觸發開關，激光多普勒測振儀，數據采集儀，數據處理系統/計算機與顯示器和光源。

實驗段為透明的長方體結構，安裝在循環式空化水洞實驗平臺的收縮段和擴散段之間，水流方向為由收縮段流向擴散段；實驗模型包括水翼部分和支撐部分，其中水翼部分置于內，支撐部分在實驗段的外部，實驗模型與實驗段中的水流方向相垂直，且位于所在平面的中心位置；高速攝像機置于實驗模型的水翼部分一側，用于采集實驗模型所在區域的流場演變情況；光源沿高速攝像相同方向和垂直方向給實驗模型提供照明；激光多普勒測振儀置于實驗模型的正下方，用于采集實驗模型的振動速度；同步觸發開關同時與高速攝像機和激光多普勒測振儀相連；數據采集儀與激光多普勒測振儀相連接，用于采集激光多普勒測振儀的振動數據；計算機同時與數據采集儀和高速攝像機相連，收集由高速攝像機和激光多普勒測振儀測得的數據，同時基于計算機上的數據處理系統對實驗數據進行處理。

同步觸發開關包括開關和浪涌抑制電路。

所述同步觸發開關，當它閉合時，產生單波形電壓信號的控制器將產生一定的上升沿電壓信號。當該電壓信號高于給定閾值時，將產生特定電波信號并通過電纜傳遞從而觸發與之相連的高速攝像機和激光多普勒測振儀。

所述高速攝像機具有圖像快速記錄、即時回放、圖像直觀清晰等特點。

所述激光多普勒測振儀是一種基于光學多普勒效應的激光動態干涉儀，其基本原理是通過發射一定頻率的激光束，并對比經結構表面測點反射的激光束頻率，利用多普勒效應計算結構表面測點的振動速度。

基于本發明公開的一種水洞實驗用非定常空化流激振動多場同步測量系統的工作方法為：

步驟1，調節流動參數，使循環式空化水洞實驗臺實驗段內繞實驗模型產生空化流動；

步驟2，確定高速攝像機和激光多普勒測振儀的準確測量位置，設置測量參數，設置設備觸發方式為上升沿觸發，使高速攝像機和激光多普勒測振儀均處于等待觸發狀態；

步驟3，通過同步觸發開關產生上升沿電壓信號，同步觸發高速攝像機和激光多普勒測振儀，將全流場顯示測量結果和結構振動測量數據同步存儲至計算機；

步驟4，基于數據處理系統對多物理場同步采集的數據進行處理與分析，包括預處理，時域分析，頻域分析和時頻分析，得到流場形態和結構振動速度的同步演變過程，實現了流場與結構場多物理場同步測量與數據采集分析。

有益效果

1、本發明的一種非定常空化流激振動多場同步測量系統，利用一種同步觸發開關，可同步實施高速攝像機和激光多普勒測振儀的信號采集啟動命令，實現非定常空化流場與結構場的定量精確同步測量。

2、本發明的一種非定常空化流激振動多場同步測量系統，可獲得流場形態與結構振動速度同步演變過程中的一一對應關系，實現水動力特性與結構振動特性的同步分析，為深入研究流固耦合特性奠定基礎。