[發明專利]用于大型高速風洞PIV示蹤粒子產生及遠程流量控制的裝置

有效

• 申請號: 202011054592.7
• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN112179611B
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 楊可;熊健;張林;吳繼飛;陳植;師建元
• 申請（專利權）人: 中國空氣動力研究與發展中心高速空氣動力研究所
• 主分類號: G01M9/06
• 分類號: G01M9/06
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 王丹

本發明公開了一種用于大型高速風洞PIV示蹤粒子產生及遠程流量控制的裝置。該裝置包括控制指令輸入及反饋系統、氣源管路及壓力調節系統、粒子發生器流量調節系統和粒子發生器；控制指令輸入及反饋系統向氣源管路及壓力調節系統、粒子發生器流量調節系統發布遠程控制指令，并接收氣源管路及壓力調節系統、粒子發生器流量調節系統的反饋信號；氣源管路及壓力調節系統用于調節粒子發生器的工作壓力；粒子發生器流量調節系統用于調節粒子發生器的工作流量。該裝置滿足了大型高速風洞示蹤粒子流場跟隨性、光散射特性和濃度需求；實現了PIV試驗過程中遠程、高效、精確的示蹤粒子濃度控制和調節，提高了試驗數據質量，大幅降低了試驗能耗和人力成本。

技術領域

本發明屬于高速風洞試驗技術領域，具體涉及一種用于大型高速風洞PIV示蹤粒子產生及遠程流量控制的裝置。

背景技術

PIV技術是利用雙脈沖激光照射到被測對象(比如風洞的氣流)，在被測對象中撒播示蹤粒子，獲得連續的2幅粒子圖像，利用互相關算法得到同一個示蹤粒子位移，再除以2幅粒子圖像的間隔時間，最終得到該示蹤粒子速度矢量，計算粒子圖像中所有的示蹤粒子速度矢量，就獲得了速度場。由于示蹤粒子跟隨被測對象運動，在示蹤粒子能夠真實跟隨被測對象的前提下，獲得的示蹤粒子速度矢量也就可以認為是被測對象的速度。PIV試驗中，示蹤粒子的跟隨性、光散射特性和濃度對試驗數據質量起決定性作用。

示蹤粒子的跟隨性和光散射特性主要取決于示蹤粒子材料的密度和示蹤粒子的粒徑，對于相同的示蹤粒子材料，示蹤粒子的粒徑越小，跟隨性就越好，數據可信度越高，但粒徑太小會導致示蹤粒子亮度變差，影響原始圖像的信噪比；相反，示蹤粒子的粒徑越大，示蹤粒子亮度越高，圖像信噪比越好，但跟隨性會變差。在進行示蹤粒子發生器設計時，必須根據實際應用需求，選擇合適的示蹤粒子制備方法，保證示蹤粒子在跟隨性和光散射性方面取得一個良好的平衡。

目前，PIV試驗研究主要集中在低速風洞，相比高速風洞，低速風洞運行時間長，風速較低，示蹤粒子發生和流量控制難度相對較低。高速風洞方面，主要集中在小尺寸研究性高速風洞，該類風洞試驗段流量小，對示蹤粒子發生量要求較低，市面上的小型商用粒子發生器即可滿足粒子濃度需求；同時，由于小尺寸研究性高速風洞能耗小，調試成本低，示蹤粒子濃度調節速度和準確度要求不高，因此，多采取手動方式現場調節示蹤粒子濃度。

隨著飛行器研制需求的不斷提高，越來越多的飛行器需要在大尺寸風洞中開展試驗研究，大尺寸風洞的模型外形模擬更加真實，試驗雷諾數高，更有利于還原飛行器真實流動狀態。因此，在大型高速風洞中開展PIV試驗研究的需求也越發迫切。

在大型高速風洞中開展PIV試驗，還必須考慮示蹤粒子材料對洞體的污染問題。高速流場中通常使用兩類示蹤粒子：一種是固態微粒，一種是液態微粒。固態微粒的優點在于粒徑可控性好，粒徑較小，具有良好的流動跟隨性，同時光散射性極佳，圖像信噪比很高。此外，固態微粒的物理特性也比較穩定可靠。固態微粒的缺點在于對風洞洞體的污染比較嚴重，特別是跨聲速風洞結構形式比較復雜，跨聲速風洞試驗段外面通常還有一個大尺寸的駐室，試驗段與駐室氣流相通，固態微粒不僅會附著在風洞內流道表面，還會通過開孔壁或者開槽壁進入駐室內部。駐室內部通常放置有大量精密測試儀器和裝置，無法接受大量固態微粒的附著污染。此外，固態微粒被吸入風洞操作人員體內，也會對健康造成傷害。因此，只能考慮液態示蹤粒子。