[實(shí)用新型]基于激光多普勒測(cè)速的波流流速測(cè)量系統(tǒng)及水洞式游泳機(jī)系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201721334694.8
• 申請(qǐng)日: 2017-10-17
• 公開（公告）號(hào): CN210802846U
• 公開（公告）日: 2020-06-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 沈熊;郁漫天;沈小鈞
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 沈熊
• 主分類號(hào): G01M10/00
• 分類號(hào): G01M10/00;G01P5/26;G01P21/02
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

本實(shí)用新型公開一種基于激光多普勒測(cè)速的波流流速測(cè)量系統(tǒng)、水洞式游泳機(jī)系統(tǒng)，其可準(zhǔn)確測(cè)定波浪水流速度和速度分布，為標(biāo)定游泳機(jī)泳速顯示和評(píng)價(jià)游泳機(jī)性能提供可靠依據(jù)。包括動(dòng)力箱、主流區(qū)、分成兩路的回流管道，在發(fā)射/接收光單元前端安裝有帶密封窗口的導(dǎo)光管，其透過(guò)波浪水面，將激光束照射到主流區(qū)形成測(cè)量體并能接收測(cè)量體的散射光，實(shí)現(xiàn)LDV流速測(cè)量；測(cè)量體反光鏡將后向散射光轉(zhuǎn)變?yōu)榍跋蛏⑸涔猓瑯O大提高了接收散射光強(qiáng)度；采用小功率半導(dǎo)體激光器，無(wú)需人工添加粒子，也能得到良好的信噪比。本實(shí)用新型可用于具有波浪自由面的流速測(cè)量場(chǎng)合，如大型波槽、水洞式游泳機(jī)、船舶航行速度等，這是現(xiàn)有其它流速測(cè)量技術(shù)難以企及的。

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型屬于流體力學(xué)水洞、游泳機(jī)應(yīng)用和流速測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及將激光多普勒測(cè)速技術(shù)用于測(cè)量水洞式游泳機(jī)的流速特性；同時(shí)，本實(shí)用新型還涉及將激光多普勒測(cè)速儀用于具有波浪水面的其它流速測(cè)量場(chǎng)合；具體涉及一種基于激光多普勒測(cè)速的波流流速測(cè)量系統(tǒng)、水洞式游泳機(jī)系統(tǒng)。

背景技術(shù)

流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)水洞廣泛用于各種模型實(shí)驗(yàn)，如船艦、潛艇和各種形狀的物體模型等；用于人體泳姿研究的大型水洞式游泳機(jī)也已經(jīng)在許多國(guó)家建造，如日本五十嵐公司于1979年生產(chǎn)的水洞式游泳機(jī)，水量100立方米，流速0～2.5米/秒，成為訓(xùn)練游泳運(yùn)動(dòng)員的重要手段，但是造價(jià)高昂。實(shí)驗(yàn)水洞的基本原理是通過(guò)水力推進(jìn)器得到以一定速度流動(dòng)的循環(huán)水流，當(dāng)水流流過(guò)物體或人體時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生阻力，如果物體或人體具有前進(jìn)的動(dòng)力，并且能夠克服這種阻力時(shí)，物體或人體就會(huì)與水流處于相對(duì)平衡的靜止?fàn)顟B(tài)，因而可以方便地觀察和測(cè)量繞流物體的流動(dòng)特性或人體的泳姿。在常規(guī)的大型水洞式游泳機(jī)中，可以通過(guò)試驗(yàn)段兩側(cè)和底面的玻璃窗口，應(yīng)用多種測(cè)量?jī)x器如皮托管流速計(jì)、熱膜風(fēng)速計(jì)、粒子成像測(cè)速儀(PIV)等實(shí)現(xiàn)流速測(cè)量；但是在本實(shí)用新型所述的小型水洞式游泳機(jī)中，由于空間和結(jié)構(gòu)上的限制，不可能在兩側(cè)和底面設(shè)置測(cè)量窗口，只能通過(guò)水表面進(jìn)行流速測(cè)量，在這種條件下，上述測(cè)量技術(shù)都難以實(shí)現(xiàn)；因此，水洞式游泳機(jī)的流速標(biāo)定是目前存在的重要課題。

北航李巖、王海文、郭輝等將皮托管流速計(jì)用于低速水洞流場(chǎng)的速度校測(cè)，被測(cè)流場(chǎng)的平均速度均勻性和湍流度均為0.5％左右，這種流場(chǎng)的速度穩(wěn)定均勻，湍流度較低，用皮托管流速計(jì)可以得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果。由于國(guó)際上對(duì)皮托管流速計(jì)的標(biāo)定要求十分嚴(yán)格，規(guī)定校正設(shè)備測(cè)試段的湍流度應(yīng)低于0.3％；因此，將皮托管流速計(jì)用高湍流度流場(chǎng)是不適合的。

美國(guó)TSI公司和丹麥DANTEC公司都生產(chǎn)多種型號(hào)的熱膜風(fēng)速計(jì)，可用于水流速度的測(cè)量；由于熱膜的非線性特性，必須進(jìn)行線性化修正和溫度誤差等補(bǔ)償，再要通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的校正設(shè)備進(jìn)行校正，由于受到校正設(shè)備性能指標(biāo)的限制，熱膜風(fēng)速計(jì)一般適用于流速大于0.5m/s和中低湍流度流場(chǎng)。

粒子圖像測(cè)速儀(PIV)也已被廣泛應(yīng)用于流速測(cè)量；它的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)拍攝粒子位移照片和圖像分析可以得到瞬時(shí)二維流場(chǎng)速度分布；但是，連續(xù)拍攝的幀頻率較低，不適合測(cè)量高湍流度流動(dòng)；另外，它要求測(cè)量對(duì)象在兩個(gè)方向具備透光窗口，這也限制了PIV在小型水洞式游泳機(jī)的應(yīng)用。

激光多普勒測(cè)速儀具有非接觸測(cè)量、線性特性、精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)速范圍廣，以及無(wú)需標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn)，是理想的高湍流復(fù)雜流場(chǎng)的測(cè)量手段，但是也受到波浪水面的影響；本實(shí)用新型為了克服這一難點(diǎn)，在常規(guī)的LDV基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)，提出了一種克服波浪水面阻礙光線傳輸?shù)牡姆椒ê脱b置，從而實(shí)現(xiàn)了水洞式游泳機(jī)的流速測(cè)量和游泳機(jī)性能標(biāo)定，使水洞式游泳機(jī)成為真正意義上的完整系統(tǒng)。

實(shí)用新型內(nèi)容

考慮到上述問(wèn)題而提出了本實(shí)用新型。本實(shí)用新型提供了一種基于激光多普勒測(cè)速的波流流速測(cè)量系統(tǒng)及水洞式游泳機(jī)系統(tǒng)，解決了水洞式游泳機(jī)的流速標(biāo)定和流場(chǎng)性能評(píng)價(jià)問(wèn)題，使水洞式游泳機(jī)成為完整的系統(tǒng)，可以連續(xù)調(diào)節(jié)水流速度，并正確地顯示水流的速度分布和整體的流場(chǎng)性能。