[發明專利]一種跨音速葉柵風洞piv測試設備測試方法及系統

在審

• 申請號: 202110621637.2
• 申請日: 2021-06-03
• 公開（公告）號: CN113341174A
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 李鈺潔;劉永葆;余又紅;賀星;蒙澤威;張筠松
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍海軍工程大學
• 主分類號: G01P5/26
• 分類號: G01P5/26;G01P5/20;G01M9/06
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 藍曉玉

本發明屬于圖像測速技術領域，公開了一種跨音速葉柵風洞piv測試設備測試方法及系統，將激光發射機安裝在測試段正上方，在測試段出口安裝反光鏡，采用激光的反射原理，將激光機發出的激光反射至風洞的測試段出口，由測試段出口射入照亮葉柵，進行光學成像及圖像處理，進而捕捉空氣流場信息。本發明另辟蹊徑，將激光發射機安裝在測試段正上方，而在測試段出口安裝反光鏡，采用激光的反射原理，將激光從風洞的測試段出口射入，避免了在測試段上方采用透明裝置直射引發的強度問題和在測試段出口直射對激光發射機的沖擊問題。同時，本發明的設計結構巧妙，成本低、結構簡單、性能好、使用方便。

技術領域

本發明屬于圖像測速技術領域，尤其涉及一種跨音速葉柵風洞piv測試設備測試方法及系統。

背景技術

目前，在風洞實驗研究領域，空氣流體的運動速度是極為關鍵的研究參數，準確把握空氣流體運動速度信息，對分析流體運動特性是至關重要的。以往的的單點速度測量方法，已經不能滿足獲取流場整體信息的需求，伴隨著光學及計算機技術的不斷發展，PIV測量速度技術應用而生，并在風洞流場測量中得到廣泛應用。

1、PIV系統的組成：

PIV系統一般包括以下五部分：圖像采集系統(CCD相機)，光源照明系統(激光發生器)，計算機工作站及相關數據處理軟件系統，同步器裝置，示蹤粒子發生器裝置。

2、系統工作原理：

PIV粒子圖像測速系統，被廣泛應用于風洞氣態流場的測量，能夠準確把握空氣流場整體的動態速度信息。PIV系統主要利用示蹤粒子在空氣流場中良好的跟隨性，并且具有良好的反光性能(一般采用激光片光照射)，同時借用高頻相機的拍攝和圖片處理技術，來實現對空氣流場中動態速度信息的捕獲。激光發生器與圖像采集系統，通過同步器與計算機相連，調節采樣頻率，使得高頻相機拍攝于光源脈沖同步以獲得示蹤粒子圖像，在很短的時間間隔內(通常以微妙為單位計量)系統高速采集到兩張相關的示蹤粒子圖像，在同一坐標系下通過圖像處理算法，將互為相關的粒子移動位置做算法處理，經過計算可得出該示蹤粒子的運動矢量信息，即速度的大小及方向。而空氣流場中以高密度分布的粒子跟隨流場運動，可以充滿整個流場空間，從而可得出空氣流場整體的運動場信息。

PIV(Partical Image Velocimetry即粒子圖像測速技術，應用光學成像原理及圖像處理技術捕捉流場信息，具有非介入、高分辨率的特點，避免了對所測空氣流場的干擾，同時也能夠實現全流場的瞬態測量。經過多年發展，PIV技術已適用于風洞流場的定性及定量測量分析研究。作為測速技術中的先進測量方式，PIV系統的應用范圍越來越廣，而基于系統本身特性，在使用中也具有一定門檻，且設備費用較高，因此PIV系統能否用于風洞領域，如何正確使用就是一個值得探討的問題。這都需要研究人員對PIV系統具有較為全面的認識，同時對其設計方式、操作技術及過程中的影響因素等問題提前進行了解。

近幾年來，非接觸式瞬態流場測速技術PIV已經克服了接觸式單點測量設備的局限性，無干擾地獲得葉柵槽道瞬時速度場、渦量場等，成為研究葉柵流場的一種先進測試手段。雖然國內外在葉柵流場PIV測試技術研究方面已取得了卓著的成績，但由于PIV技術比較復雜，影響測試結果因素比較多，如示蹤粒子的選取與播撒、激光片光與CCD的布局等，都會影響所測流場的準確性，國內在高速風洞中開展的PIV應用研究較少。

一般的設計方案采用從葉柵下游即試驗段出口處逆向打光，為減小葉柵出口的氣流對光學部件的沖擊力，打光方向適當避開氣流的方向，并確保激光片光與待測截面重合。由于采用單CCD對葉柵中截面槽道及其下游尾跡速度場進行二維速度場測量，因此要求CCD拍照方向與激光片光嚴格垂直。但是，該結構存在以下問題，從葉柵下游即試驗段出口處逆向打光，雖然為了減小葉柵出口氣流對光學部件的沖擊力，讓打光方向適當避開氣流方向，但是在測試段出口激光發射裝置仍然受到不小的沖擊，時間久了會對裝置的性能造成嚴重的破壞。