本發(fā)明屬于流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于流動(dòng)顯示、測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置及方法。

背景技術(shù)：

流體實(shí)驗(yàn)總體上包括流動(dòng)顯示和流動(dòng)測(cè)量。流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)主要任務(wù)是使流體流動(dòng)過程可視化，而流動(dòng)測(cè)量主要是獲取流體流動(dòng)過程定量化信息，它們相輔相成，是實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的組成部分。通過各種流動(dòng)顯示與測(cè)量實(shí)驗(yàn)，可以使人們了解復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象，探索物理機(jī)制和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為建立新概念和數(shù)學(xué)模型提供科學(xué)依據(jù)。流動(dòng)顯示與測(cè)量技術(shù)本身也是解決實(shí)際工程問題的主要手段?？梢哉f，在流體力學(xué)發(fā)展過程中每一次理論上的突破及其工程中的應(yīng)用，幾乎都是從對(duì)流動(dòng)現(xiàn)象的觀察開始。如1880年的雷諾轉(zhuǎn)捩實(shí)驗(yàn)，1888年的馬赫激波現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)，1904年普朗特提出邊界層的概念，1912年馮卡門對(duì)圓柱體繞流渦街分析等，無(wú)一不是以流動(dòng)顯示和測(cè)量的結(jié)果為基礎(chǔ)，而對(duì)流動(dòng)現(xiàn)象的深入分析又是建立和驗(yàn)證新概念、發(fā)現(xiàn)新規(guī)律的關(guān)鍵。在航空航天領(lǐng)域涉及到的流動(dòng)狀況更加復(fù)雜多變，尤以航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)為甚，作為“工業(yè)上的皇冠明珠”，航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燃?xì)獬隹跍囟仍絹碓礁撸钙饺~片的冷卻也顯得更加重要、突出，氣膜冷卻便是一種重要的冷卻方式，但對(duì)氣膜冷卻的研究更多集中于冷卻效率上，而利用實(shí)驗(yàn)手段，結(jié)合冷卻性能分析，從流動(dòng)機(jī)理或者氣流摻混機(jī)理的角度分析氣膜冷卻特性的研究很少。實(shí)際葉片形狀復(fù)雜，氣膜孔多，而平板單孔射流可以相對(duì)容易地研究各個(gè)參數(shù)所帶來的影響，同時(shí)又不失一般性，也因此利用實(shí)驗(yàn)手段，從流動(dòng)特性的角度研究高溫燃?xì)饬髋c冷卻氣體的摻混，以好的流動(dòng)顯示、測(cè)量方法獲取流場(chǎng)中的渦系結(jié)構(gòu)，繼而從復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)特性的角度來揭示摻混機(jī)理具有創(chuàng)新性。鑒于此，如何設(shè)計(jì)一種現(xiàn)實(shí)可行，流動(dòng)結(jié)構(gòu)顯示清晰，對(duì)流場(chǎng)干擾小，便于流場(chǎng)顯示、測(cè)量、改造，實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠的實(shí)驗(yàn)裝置及方法具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于流動(dòng)顯示、測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置及方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明適用于不同類型規(guī)格風(fēng)洞，流體力學(xué)中經(jīng)典的問題——橫向射流中流動(dòng)結(jié)構(gòu)的流動(dòng)顯示、測(cè)量實(shí)驗(yàn)，對(duì)流場(chǎng)干擾小，顯示效果好，測(cè)量準(zhǔn)確，成本低；實(shí)驗(yàn)方法結(jié)果精度高，操作簡(jiǎn)便易行；便于進(jìn)行改裝以進(jìn)行其他的流體實(shí)驗(yàn)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種用于流動(dòng)顯示、測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置，包括用于連接在風(fēng)洞上的實(shí)驗(yàn)腔，實(shí)驗(yàn)腔的底部可拆卸的連接有射流板，射流板下部連接有集氣腔，且集氣腔通過射流板上的射流孔與實(shí)驗(yàn)腔連通，集氣腔的底部通過軟管和過渡接頭依次連接有流量計(jì)、穩(wěn)流閥、穩(wěn)壓閥、煙霧器以及空壓機(jī)；

實(shí)驗(yàn)腔的后側(cè)設(shè)置有升降臺(tái)，升降臺(tái)上連接有二維移動(dòng)滑臺(tái)，二維移動(dòng)滑臺(tái)的底部連接有光源設(shè)備，實(shí)驗(yàn)腔的頂部設(shè)有供光源通過的槽縫，實(shí)驗(yàn)腔的外側(cè)設(shè)有正對(duì)實(shí)驗(yàn)腔的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，且數(shù)據(jù)采集設(shè)備電連接至計(jì)算機(jī)。

進(jìn)一步地，實(shí)驗(yàn)腔的壁面均為透明亞克力板。

進(jìn)一步地，實(shí)驗(yàn)腔后端的壁面內(nèi)側(cè)設(shè)置有遮光布。

進(jìn)一步地，數(shù)據(jù)采集設(shè)備正對(duì)設(shè)置有遮光布的壁面。

進(jìn)一步地，射流板下部表面上均勻地刻有若干刻度線，且相鄰的刻度線之間的間距等于射流孔孔徑。

進(jìn)一步地，數(shù)據(jù)采集設(shè)備為超高速相機(jī)或ccd相機(jī)。

一種用于流動(dòng)顯示、測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方法，采用上述用于流動(dòng)顯示、測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置，包括以下步驟：

步驟一：將實(shí)驗(yàn)腔連接到風(fēng)洞的收縮段和擴(kuò)張段之間；

步驟二：將升降臺(tái)和二維移動(dòng)滑臺(tái)進(jìn)行裝配，裝配后放置在實(shí)驗(yàn)腔的一側(cè)，并在此側(cè)的實(shí)驗(yàn)腔壁面內(nèi)側(cè)懸掛遮光布；

步驟三：將光源設(shè)備安裝在二維移動(dòng)滑臺(tái)上，通過升降臺(tái)和二維移動(dòng)滑臺(tái)將光源設(shè)置調(diào)整至合適位置；

步驟四：安裝并調(diào)整數(shù)據(jù)采集設(shè)備，使數(shù)據(jù)采集設(shè)備正對(duì)設(shè)置有遮光布的壁面；

步驟五：?jiǎn)?dòng)風(fēng)洞風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)選擇頻率，使主流滿足實(shí)驗(yàn)要求；

步驟六：打開穩(wěn)流閥和穩(wěn)壓閥，啟動(dòng)空壓機(jī)，調(diào)節(jié)穩(wěn)流閥和穩(wěn)壓閥的開口大小，觀察流量計(jì)示數(shù)，使射流滿足實(shí)驗(yàn)要求；

步驟七：?jiǎn)?dòng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備及計(jì)算機(jī)中控制軟件；

步驟八：調(diào)整數(shù)據(jù)采集設(shè)備的空間位置，通過控制軟件窗口觀察效果，將其空間位置調(diào)至合適；

步驟九：調(diào)整片光源設(shè)備的位置及亮度，通過控制軟件窗口觀測(cè)實(shí)際效果，從而使得效果最佳；

步驟十：對(duì)控制軟件上的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使其滿足實(shí)驗(yàn)要求，開始實(shí)驗(yàn)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明裝置采用實(shí)驗(yàn)腔和射流板分離的形式，避免了進(jìn)行不同射流角度的實(shí)驗(yàn)時(shí)，整體更換實(shí)驗(yàn)腔，既保證了實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，減小實(shí)驗(yàn)誤差，又節(jié)約了成本，也可相應(yīng)的移植到其他實(shí)驗(yàn)中，我們可以通過對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入分析，考慮主要問題、矛盾，實(shí)驗(yàn)時(shí)可以將射流板長(zhǎng)寬設(shè)置的比要研究的范圍多出一定尺寸，射流板與實(shí)驗(yàn)腔的配合處加工精度要高，保證嵌合準(zhǔn)確，同時(shí)不需要對(duì)實(shí)驗(yàn)腔進(jìn)行拆卸，相應(yīng)的其他光源設(shè)備和測(cè)試、測(cè)量?jī)x器就可以穩(wěn)定在原處，再加上準(zhǔn)確的嵌入配合就可以使得實(shí)驗(yàn)在相同條件下進(jìn)行，減小因重新安裝實(shí)驗(yàn)腔、調(diào)整設(shè)備、儀器等外界因素的干擾造成的誤差；另外實(shí)驗(yàn)中要求片光源設(shè)備或者脈沖光源設(shè)備在三維空間中進(jìn)行較為準(zhǔn)確的移動(dòng)、定位，傳統(tǒng)上都是利用現(xiàn)有的三維移動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)，但是其價(jià)格昂貴，而且風(fēng)洞位置固定，難以有規(guī)格類型合適的三維移動(dòng)臺(tái)，基于此，本發(fā)明采用升降臺(tái)和二維移動(dòng)滑臺(tái)，既可以準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)要求，成本又較為低廉。

進(jìn)一步地，實(shí)驗(yàn)腔采用高透光率的亞克力板制作，同時(shí)在一側(cè)懸掛遮光布，既保證了所獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的清晰又可以避免由于外界光源的反射造成的在實(shí)驗(yàn)腔表面的影像干擾，亞克力板以其優(yōu)異的高透光率特性被廣泛應(yīng)用與諸多流體實(shí)驗(yàn)研究，但有時(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)由于亞克力的鏡面反射造成外界無(wú)關(guān)事物的進(jìn)入，對(duì)顯示結(jié)果造成干擾，對(duì)流動(dòng)顯示結(jié)果的分析造成嚴(yán)重錯(cuò)誤，本發(fā)明通過加裝遮光布很好的解決了此問題，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的前后對(duì)比，發(fā)現(xiàn)加裝遮光布后流動(dòng)實(shí)驗(yàn)顯示效果非常好，外界無(wú)關(guān)的干擾幾乎全部消失。

在沒有加裝遮光布之前，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于亞克力板的鏡面效果非常顯著，導(dǎo)致獲取的流動(dòng)結(jié)果無(wú)關(guān)干擾很多，比如外界環(huán)境中的門窗、其他設(shè)備都會(huì)投影到實(shí)驗(yàn)段的亞克力平板表面，使得獲取的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中包含了無(wú)關(guān)雜物，難以進(jìn)行深入分析，而加裝遮光布之后，獲取的實(shí)驗(yàn)結(jié)果背景顏色遮光布顏色，顏色單一，那么流動(dòng)結(jié)果就是實(shí)際的流動(dòng)狀態(tài)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明連接在風(fēng)洞上的示意圖。

其中，1、實(shí)驗(yàn)腔；2、射流板；3、軟管；4、過渡接頭；5、流量計(jì)；6、穩(wěn)流閥；7、穩(wěn)壓閥；8、煙霧器；9、空壓機(jī)；10、升降臺(tái)；11、二維移動(dòng)滑臺(tái)；12、遮光布；13、光源設(shè)備；14、數(shù)據(jù)采集設(shè)備；15、空氣；16、蜂窩罩；17、尼龍濾網(wǎng)；18、穩(wěn)定段；19、收縮段；20、試驗(yàn)段；21、擴(kuò)張段；22、出口段；23、風(fēng)機(jī)；24、集氣腔。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參見圖1，一種用于流動(dòng)顯示、測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置，包括實(shí)驗(yàn)腔1，為了能使流動(dòng)顯示效果清晰，實(shí)驗(yàn)腔1采用的材質(zhì)為高透光率的亞克力板，板材的厚度需要合理選擇：在保證強(qiáng)度、不發(fā)生明顯變形時(shí)厚度盡量減小。而在實(shí)驗(yàn)腔1的底部加工有用來鑲嵌的臺(tái)階面，相應(yīng)的，射流板2制成與之配合的臺(tái)階面，在射流板2的底部，連接有集氣腔24，同時(shí)在集氣腔24一側(cè)的射流板2表面上刻有間距為射流孔徑的刻度線，以便實(shí)驗(yàn)時(shí)能對(duì)孔下游距離在不干擾實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的前提下準(zhǔn)確掌控，因?yàn)檫M(jìn)行此實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)有光照強(qiáng)度很大的補(bǔ)充光源，且補(bǔ)充光源的波長(zhǎng)為532nm，非常刺眼，如果沒有刻度線，會(huì)使得每次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)要對(duì)下游距離進(jìn)行測(cè)量，需要持工具測(cè)量，就會(huì)使得效率較低，對(duì)身體也有造成危害的可能；在實(shí)驗(yàn)腔1的上部開有一條槽縫，方便片光或者脈沖光源的進(jìn)入且不造成折射，以免影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，槽縫的長(zhǎng)度可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要獲取的流動(dòng)范圍及片光或者脈沖光源的截線處長(zhǎng)度綜合確定；實(shí)驗(yàn)腔1的后側(cè)壁面內(nèi)側(cè)懸掛遮光布12，因?yàn)檫M(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)亞克力板有時(shí)會(huì)顯現(xiàn)出平面鏡的效果；在實(shí)驗(yàn)腔1的上部懸掛有產(chǎn)生片光或者產(chǎn)生脈沖激光的光源設(shè)備13，用以將特定部分打亮；承載或者懸掛光源設(shè)備13的是二維移動(dòng)滑臺(tái)11，可以方便的對(duì)光源設(shè)備13在一個(gè)二維平面內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)確移動(dòng)、定位；與二維移動(dòng)滑臺(tái)11相連的是能在垂直方向升降的升降臺(tái)10，這樣就實(shí)現(xiàn)光源設(shè)備的三維定位且成本低廉；升降臺(tái)10負(fù)責(zé)光源設(shè)備13的負(fù)載，同時(shí)又要與二維移動(dòng)滑臺(tái)11穩(wěn)定連接；與集氣腔24底部相連接的為氣體輸送管路，在軟管3上安裝有流量計(jì)5、穩(wěn)流閥6、穩(wěn)壓閥7、煙霧器8，氣源則由空壓機(jī)9提供；整套實(shí)驗(yàn)裝置組裝完畢之后即可根據(jù)需要來搭建相關(guān)測(cè)試儀器，包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備14在三腳架上的安裝，位置調(diào)整，或者piv系統(tǒng)的安裝、調(diào)試。

下面對(duì)本發(fā)明的操作過程做詳細(xì)描述：

1、將實(shí)驗(yàn)腔1安裝在風(fēng)洞試驗(yàn)段20，即收縮段19和擴(kuò)張段21之間，收縮段19的入口端連接穩(wěn)定段18，穩(wěn)定段18的入口處設(shè)置有蜂窩罩16和尼龍濾網(wǎng)17，空氣15依次經(jīng)過蜂窩罩16和尼龍濾網(wǎng)17后進(jìn)入穩(wěn)定段18，擴(kuò)張段21的后側(cè)連接出口段22，出口22的尾部設(shè)置風(fēng)機(jī)23，參見圖2在實(shí)驗(yàn)腔1接入之前，為防止實(shí)驗(yàn)腔1與風(fēng)洞連接處出現(xiàn)跑風(fēng)漏氣，在實(shí)驗(yàn)腔1法蘭盤和風(fēng)洞法蘭盤對(duì)接面分別粘接有eva海綿密封軟墊，寬度和厚度可以根據(jù)實(shí)際情況酌情選定，既能起到密封作用，也可以避免風(fēng)洞自身可能產(chǎn)生的振動(dòng)傳遞至實(shí)驗(yàn)腔1，將實(shí)驗(yàn)腔1上下左右方向調(diào)整正確，并將實(shí)驗(yàn)腔1螺栓孔與風(fēng)洞螺栓孔中心線對(duì)齊，利用螺栓、螺母、墊片將實(shí)驗(yàn)腔1固定在風(fēng)洞上；

2、在放置升降臺(tái)10的實(shí)驗(yàn)腔側(cè)懸掛遮光布12，將升降臺(tái)10水平穩(wěn)定的放置在地面上，調(diào)整好位置后，把兩個(gè)一維滑臺(tái)進(jìn)行組合形成二維移動(dòng)滑臺(tái)11，將二維移動(dòng)滑臺(tái)11穩(wěn)定可靠的固定在升降臺(tái)10的升降機(jī)構(gòu)上；

3、將光源承載機(jī)構(gòu)固定于二維移動(dòng)滑臺(tái)11上，再將二維移動(dòng)滑臺(tái)11、光源設(shè)備13穩(wěn)定可靠的固定在負(fù)載機(jī)構(gòu)上，利用升降臺(tái)10和二維移動(dòng)滑臺(tái)11組成的三維效果對(duì)光源設(shè)備13的空間位置進(jìn)行調(diào)整；

4、將氣道管路與射流板2底部的集氣腔24進(jìn)行連接(g1/4的管螺紋連接，利用生料帶包覆外螺紋在進(jìn)行連接以防氣體泄漏)，繼而將射流板2通過實(shí)驗(yàn)腔1底部的空間小心放置在實(shí)驗(yàn)腔底部的配合臺(tái)階上，而在臺(tái)階嵌合處利用膠帶封粘；

5、將氣體輸送管路和流量計(jì)5，穩(wěn)流閥6，穩(wěn)壓閥7，煙霧器8連接，由于各儀器的螺紋規(guī)格、管道內(nèi)徑并不完全統(tǒng)一，在連接處采用轉(zhuǎn)接頭、不同內(nèi)徑尺寸的軟管3進(jìn)行銜接；

6、將數(shù)據(jù)采集設(shè)備14(超高速相機(jī)或ccd相機(jī))平穩(wěn)可靠的安裝在三腳架上，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行位置調(diào)整，在滿足視野范圍的前提下，進(jìn)行清晰度、片光源光照強(qiáng)度的調(diào)整，使得成像效果最佳(若利用ccd設(shè)備除了要成像清晰外，還要避免強(qiáng)光進(jìn)入ccd相機(jī)鏡頭，以免設(shè)備內(nèi)部的元件燒損，超高速相機(jī)則不用考慮此問題)，整套裝置的立體圖如圖2所示；

7、啟動(dòng)風(fēng)洞風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)選擇頻率，使主流滿足實(shí)驗(yàn)要求；

8、打開穩(wěn)流閥6和穩(wěn)壓閥7，啟動(dòng)空壓機(jī)9，調(diào)節(jié)穩(wěn)流閥6和穩(wěn)壓閥7的開口大小，觀察流量計(jì)5示數(shù)，使射流滿足實(shí)驗(yàn)要求；

9、啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備14及計(jì)算機(jī)中用于控制啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備14的控制軟件；

10、調(diào)整數(shù)據(jù)采集設(shè)備14的空間位置，通過控制軟件窗口觀察效果，將其空間位置調(diào)至合適；

11、調(diào)整片光源設(shè)備13的位置及亮度，通過控制軟件窗口觀測(cè)實(shí)際效果，從而使得效果最佳；

12、對(duì)控制軟件上的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使其滿足實(shí)驗(yàn)要求，開始實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行不同雷諾數(shù)、射流角、速度比的流動(dòng)信息測(cè)量、采集。研究速度比時(shí)，可以保持離心風(fēng)機(jī)23旋轉(zhuǎn)頻率不便，調(diào)節(jié)射流管路的穩(wěn)流閥6和穩(wěn)壓閥7開口大??；而進(jìn)行不同雷諾數(shù)下的實(shí)驗(yàn)時(shí)，保持射流管路穩(wěn)流閥6和穩(wěn)壓閥7開口大小不變，調(diào)節(jié)離心風(fēng)機(jī)23葉片的旋轉(zhuǎn)頻率；調(diào)節(jié)射流角的話可以通過更換實(shí)驗(yàn)射流板2。