本發(fā)明涉及一種風(fēng)動(dòng)測(cè)試技術(shù)，特別是一種用于艦船空氣流場(chǎng)測(cè)量的PIV風(fēng)洞試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

激光粒子流場(chǎng)測(cè)試設(shè)備(PIV)是一種通用的流場(chǎng)測(cè)試設(shè)備，一般可用于測(cè)量風(fēng)洞中或外部風(fēng)環(huán)境中的試件周圍的空氣流場(chǎng)，具有測(cè)量精度高、測(cè)量速度快等優(yōu)點(diǎn)。

通用的PIV激光粒子流場(chǎng)測(cè)試設(shè)備基本測(cè)試流程如圖1所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法如圖2所示，需要的測(cè)量面如圖3所示。從圖1所示測(cè)量方法來看，為全面測(cè)量船只艉部流場(chǎng)，需開展數(shù)千次手動(dòng)移位，每次移位還需校正對(duì)準(zhǔn)，每個(gè)狀態(tài)的調(diào)試周期長(zhǎng)達(dá)1個(gè)小時(shí)以上。從圖3所示的測(cè)量面定義來看，每個(gè)測(cè)量面都超過了PIV系統(tǒng)的有效測(cè)試范圍，每個(gè)測(cè)量面還需多次測(cè)量后拼接，如此計(jì)算，每條船僅艉部流場(chǎng)的測(cè)量就需要耗費(fèi)數(shù)千小時(shí)的有效時(shí)間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種用于艦船空氣流場(chǎng)測(cè)量的PIV風(fēng)洞試驗(yàn)方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)測(cè)量進(jìn)度慢、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)的缺陷，加快了試驗(yàn)進(jìn)度，提高了定位精度和速度，具有很好的使用價(jià)值。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種用于艦船空氣流場(chǎng)測(cè)量的PIV風(fēng)洞試驗(yàn)方法，包括如下步驟：

(1)在試驗(yàn)風(fēng)洞的流場(chǎng)中布撒大量示蹤粒子，令示蹤粒子跟隨流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，把YAG雙脈沖式激光器產(chǎn)生的激光束經(jīng)過組合透鏡擴(kuò)束成片光照明流場(chǎng)，使用跨幀CCD相機(jī)連續(xù)拍攝流場(chǎng)照片，得到多組前后兩幀示蹤粒子圖像；

(2)對(duì)前后兩幀示蹤粒子圖像進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，得到流場(chǎng)一個(gè)切面內(nèi)粒子的速度分布，進(jìn)而得到流場(chǎng)渦量、流場(chǎng)流線、流場(chǎng)等速度線；

(3)在金屬材質(zhì)水線模型的艦?zāi)１砻嫱恳詠喒夂谄?，其中，艦?zāi)Ｄ軌蛟谒矫鎯?nèi)運(yùn)動(dòng)，并可以改變艦?zāi)Ｖ锌v線與風(fēng)洞來流風(fēng)向的夾角、艦?zāi)M搖角和縱搖角；

(4)使用CCD相機(jī)并列擺放，每臺(tái)CCD相機(jī)的軸線均垂直于激光片光面進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，采用PIV二維測(cè)量方式，在不移動(dòng)CCD相機(jī)的前提下，分別改變艦?zāi)Ｖ锌v線與風(fēng)洞來流風(fēng)向的夾角、艦?zāi)M搖角或者縱搖角，進(jìn)而得到艦?zāi)Ｔ诓煌災(zāi)Ｖ锌v線與風(fēng)洞來流風(fēng)向的夾角、艦?zāi)M搖角或者縱搖角情況下不同艦?zāi)y(cè)量截面中示蹤粒子的多組測(cè)量數(shù)據(jù)；

(5)根據(jù)步驟(4)得到的多組示蹤粒子測(cè)量數(shù)據(jù)生成多個(gè)空氣流場(chǎng)速度云圖和空氣流場(chǎng)流線圖，然后根據(jù)流場(chǎng)渦量、流場(chǎng)流線、流場(chǎng)等速度線完成艦?zāi)２煌瑴y(cè)量截面的空間重構(gòu)。

所述的示蹤粒子直徑<80μm。

所述的艦?zāi)５臋M搖狀態(tài)為3°、8°、無橫搖，縱搖狀態(tài)為±2°、±4°、無縱搖。

所述的步驟(4)中的兩臺(tái)CCD相機(jī)的視場(chǎng)的邊界線重合，CCD相機(jī)兩幀之間的最小曝光時(shí)間間隔<1μs。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明采用激光PIV技術(shù)測(cè)量艦?zāi)Ａ鲌?chǎng)，相對(duì)于采用七孔探針或熱線風(fēng)速儀而言，測(cè)量設(shè)備本身不對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生干擾，可明顯提高測(cè)量的準(zhǔn)確性；

(2)本發(fā)明通過使用全方位移測(cè)架，可以明顯提高艦?zāi)Ｕ{(diào)整位置和角度的速度及精度，從而節(jié)約了時(shí)間，提高了試驗(yàn)效率。

附圖說明

圖1為通用的PIV流場(chǎng)測(cè)量方法流程圖；

圖2為通用的PIV流場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理流程圖；

圖3為測(cè)量面定義示意圖；

圖4為本發(fā)明方法中艦?zāi)０惭b試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種用于艦船空氣流場(chǎng)測(cè)量的PIV風(fēng)洞試驗(yàn)方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)測(cè)量進(jìn)度慢、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)的缺陷，加快了試驗(yàn)進(jìn)度，提高了定位精度和速度，具有很好的使用價(jià)值。

(1)激光粒子圖像測(cè)速(PIV)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

粒子圖像測(cè)速(PIV)技術(shù)為非接觸式測(cè)量，不僅克服了探針對(duì)流場(chǎng)的干擾，且具有測(cè)量精度高、沒有偏角范圍限制的優(yōu)點(diǎn)，因此PIV在空間流場(chǎng)的速度、方向以及旋渦特性等測(cè)量中得到了廣泛應(yīng)用。

PIV粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)，其硬件部分主要由兩臺(tái)跨幀CCD相機(jī)、YAG雙脈沖式激光器、同步控制器、圖像采集板和計(jì)算機(jī)等組成。該系統(tǒng)速度場(chǎng)測(cè)量精度為0.25個(gè)像素，測(cè)速范圍0～1000m/s，最佳測(cè)試區(qū)域400mm×300mm。其中的CCD相機(jī)為PIV專用相機(jī)，通過單次觸發(fā)瞬間捕捉兩幀圖像，兩幀之間的最小曝光時(shí)間間隔<1μs；兩臺(tái)PIV專用雙脈沖激光器經(jīng)過光束合束器通過一個(gè)光路出口發(fā)射出來，經(jīng)過導(dǎo)光臂和片光源系統(tǒng)，產(chǎn)生照明流場(chǎng)的脈沖片光源，片光源厚度1～6mm可調(diào)；系統(tǒng)各部分的協(xié)調(diào)工作由同步控制器保證。

在試驗(yàn)風(fēng)洞的流場(chǎng)中布撒大量示蹤粒子(小于10微米)跟隨流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，把YAG雙脈沖式激光器產(chǎn)生的激光束經(jīng)過組合透鏡擴(kuò)束成片光照明流場(chǎng)，使用數(shù)字相機(jī)(跨幀CCD相機(jī))拍攝流場(chǎng)照片，得到前后兩幀粒子圖像，對(duì)圖像中的粒子圖像進(jìn)行相關(guān)計(jì)算得到流場(chǎng)一個(gè)切面內(nèi)定量(粒子)的速度分布，進(jìn)一步處理可得流場(chǎng)渦量、流線以及等速度線等流場(chǎng)特性參數(shù)分布。

已知的時(shí)間間隔內(nèi)Δt內(nèi)，跟隨流體流動(dòng)的示蹤粒子被由脈沖激光器發(fā)出，經(jīng)過透鏡組作用的片光照射，粒子的瞬間位置以粒子圖像的曝光記錄在CCD芯片上。如果我們知道在t₁與t₂這兩個(gè)時(shí)刻同一顆粒微團(tuán)的位移變化，從記錄所得顆粒圖像中，根據(jù)速度的定義式就可以獲得顆粒群在t₁時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)速度，公式如下所示：

在應(yīng)用PIV技術(shù)時(shí)，有三個(gè)假設(shè)：

1)示蹤粒子跟隨流體運(yùn)動(dòng)

由于PIV技術(shù)是通過測(cè)量示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)速度來測(cè)量流體運(yùn)動(dòng)速度，這就要求示蹤粒子相對(duì)于流體有很好的跟隨性。當(dāng)示蹤粒子直徑d≤10μm時(shí)，它與流體跟隨性是比較好的。

2)示蹤粒子在流場(chǎng)中均勻分布

如果示蹤粒子在流場(chǎng)中沒有均勻分布，則在粒子濃度過大或過小處容易產(chǎn)生明顯的錯(cuò)誤向量。通過實(shí)施向量修正可以去除部分錯(cuò)誤向量，但如果錯(cuò)誤向量過多時(shí)，則無法完全去除。

3)判讀區(qū)內(nèi)具有唯一的速度

在實(shí)際情況下，無法做到采集圖像中各個(gè)局部地區(qū)均能滿足粒子分布均勻的要求，所以相關(guān)計(jì)算結(jié)果中經(jīng)常出現(xiàn)少數(shù)明顯有錯(cuò)誤的矢量，因此速度修正方法往往是必不可少的一個(gè)步驟。軟件中對(duì)錯(cuò)誤向量修正基本思路是：根據(jù)流體連續(xù)性方程，一個(gè)計(jì)算點(diǎn)周圍的速度與它之間的差異不能太大。

測(cè)試設(shè)備硬件系統(tǒng)包括：照明激光器、同步控制器、圖像采集板、高速數(shù)字相機(jī)和計(jì)算機(jī)等。對(duì)于PIV全場(chǎng)測(cè)速來說，粒子的選擇及布撒是一項(xiàng)重要的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，粒子直徑、密度、布撒均勻度和濃度直接影響試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性。用于風(fēng)洞試驗(yàn)的艦?zāi)３叽巛^大，所測(cè)流場(chǎng)區(qū)域大，試驗(yàn)狀態(tài)多，一般的煙霧發(fā)生器無法滿足粒子布撒要求。以測(cè)量平均流場(chǎng)為主的風(fēng)洞試驗(yàn)中，可布撒粒徑<80μm的固體粒子。

(2)全方位移測(cè)架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全方位移測(cè)架系統(tǒng)包括支撐和連接機(jī)構(gòu)以及實(shí)現(xiàn)艦?zāi)?試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎媒饘俨馁|(zhì)水線模型，艦?zāi)１砻嫱恳詠喒夂谄?，防止模型表面反光，?duì)相機(jī)的感光芯片形成干擾，從而影響測(cè)量結(jié)果；機(jī)庫大門分別為開、關(guān)和半開狀態(tài))運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)等。

1)二維十字運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

二維十字運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的作用是實(shí)現(xiàn)艦?zāi)Ｔ谒矫鎯?nèi)的運(yùn)動(dòng)，通過艦?zāi)５囊苿?dòng)來測(cè)量不同的橫向和縱向截面。平臺(tái)自重170kg，最大承重300kg，中間滑塊尺寸355mm×355mm，運(yùn)動(dòng)行程1000mm×650mm，滑塊由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)距離精確可控。

2)360°分度盤

360°分度盤的作用是使艦?zāi)Ｄ軌蛟谒矫鎯?nèi)改變?nèi)我饨嵌?，以模擬艦船不同風(fēng)向角的試驗(yàn)狀態(tài)。分度盤自重80kg，最大承重400kg，行程360°，手動(dòng)調(diào)節(jié)。分度盤精度為1°，可滿足試驗(yàn)中對(duì)不同風(fēng)向角的試驗(yàn)需求，其中，風(fēng)向角為艦?zāi)Ｖ锌v線與風(fēng)洞來流風(fēng)向的夾角。

3)固定平臺(tái)及圓形活動(dòng)平板

固定平臺(tái)用來模擬海平面，并起到一定的支撐作用，平臺(tái)上有一較大圓形孔，可使艦?zāi)Ｔ谒矫嫔线M(jìn)行任意方向運(yùn)動(dòng)。固定平臺(tái)支架由40mm×40mm的鋁型材制作，平板由木板拼接得到。木板上再覆蓋一層防靜電臺(tái)墊，保證臺(tái)面的平整和光潔。圓形活動(dòng)平板由鋼板裁制，與連接裙固定，是為了保證艦?zāi)＿\(yùn)動(dòng)時(shí)平臺(tái)沒有鏤空區(qū)域，圓形平板的尺寸大于平臺(tái)孔的尺寸，厚度為2mm，并在邊界上做倒角處理。

圖4為本發(fā)明方法中艦?zāi)０惭b試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案示意圖，從圖中可以看出試驗(yàn)臺(tái)主要由基座、二維十字運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、360°分度盤、連接件、圓形平板、固定平臺(tái)和連接裙等幾個(gè)部分組成。墊連接裙是為了使艦?zāi)ＴO(shè)計(jì)水線以上部分在平板邊界層梯度范圍之外，連接裙的高度根據(jù)平板邊界層厚度決定。連接裙的不同形狀可以改變艦?zāi)５臋M搖角和縱搖角，由于要測(cè)量的橫搖狀態(tài)為3°和8°，縱搖狀態(tài)為±2°和±4°，加上無橫搖和縱搖的狀態(tài)，故一共要制作7塊不同形狀的連接裙，根據(jù)不同試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行更換。

(3)PIV安裝

為滿足對(duì)甲板區(qū)域范圍內(nèi)流場(chǎng)測(cè)試的要求，采用PIV二維測(cè)量方式，由于PIV二維測(cè)量區(qū)域有限(400mm×300mm)，擬使用兩臺(tái)相機(jī)并列擺放，每臺(tái)相機(jī)的軸線均垂直于激光片光面進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，測(cè)量區(qū)域?yàn)?00mm×300mm，其中，兩臺(tái)相機(jī)的視場(chǎng)的邊界線重合，兩幀之間的最小曝光時(shí)間間隔<1μs。

當(dāng)船模處于同一風(fēng)向角時(shí)，在不移動(dòng)CCD相機(jī)的前提下，可通過二維十字運(yùn)動(dòng)平臺(tái)整體平移艦?zāi)Ｇ昂蟆⒆笥椅恢弥料乱粶y(cè)量截面，從而提高測(cè)試效率。

對(duì)船模在多組風(fēng)向角下進(jìn)行測(cè)量，得到船模在不同風(fēng)向角下不同測(cè)量截面下的多組測(cè)量數(shù)據(jù)，其中一組測(cè)量數(shù)據(jù)為當(dāng)前風(fēng)洞流場(chǎng)中一個(gè)切面內(nèi)定量(粒子)的速度分布。

(4)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

PIV系統(tǒng)工作時(shí)，通常將若干組瞬時(shí)流場(chǎng)圖像同時(shí)保存，然后進(jìn)行兩兩配對(duì)求解，利用專用算法得到當(dāng)前時(shí)刻的若干幅瞬時(shí)流場(chǎng)圖像，開展人工分揀篩選(比如沒有粒子運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)流場(chǎng)圖像)，得到部分有效數(shù)據(jù)，并計(jì)算得到每個(gè)粒子的速度平均值，從而獲得各測(cè)量截面的平均速度場(chǎng)和截面流線圖。

需要開展人工分揀篩選的主要原因是：由于試驗(yàn)過程中，發(fā)煙裝置可能發(fā)煙不連續(xù)或者某一時(shí)刻相機(jī)鏡頭被煙霧粒子污染等，均會(huì)產(chǎn)生不理想的結(jié)果圖像，因此要人工先將其分揀篩除，再利用MicroVec軟件將剩下的數(shù)據(jù)作平均處理后得到該測(cè)量截面流場(chǎng)數(shù)據(jù)文件。

最后，使用Tecplot軟件導(dǎo)入流場(chǎng)數(shù)據(jù)文件繪制速度云圖和流線圖等，并進(jìn)行測(cè)量截面的空間重構(gòu)，使流場(chǎng)流態(tài)更直觀。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。