[发明专利]一种螺旋桨叶片外部流场粒子图像测速试验装置

说明书

技术领域

本发明属于流场测试技术领域，特别涉及一种螺旋桨叶片外部流场粒子图像测速试验装置。

背景技术

粒子图像测速(Particle Image Velocimetry，简称PIV)技术是一种可以同时获得流场中多点被测量流体或粒子速度矢量的光学图像技术。它主要通过记录流场中示踪粒子在很短时间段内的位移来计算粒子的速度。PIV技术是在传统流动显示基础上，利用图形图像处理技术和计算机技术发展起来的一种新的流动测量技术，它可以保证较高精度的要求下，无接触地测量流场中一个截面上的二维流速分布。利用PIV技术测量流场时,需在流场中散播密度适当且跟随性好的示踪粒子,由示踪粒子的运动来反映水质点的运动，并用激光对所测平面进行照射,形成光照平面,再用CCD等摄像设备获得该示踪粒子的图像,还要对得到的图像序列进行互相关分析,测出在已知时间间隔内示踪粒子在某切面的位移,即可得到全场的速度分布。PIV技术克服了以往单点测速技术的局限性,已成为流体力学中最重要的测量仪器,广泛地应用于与流动测量相关的各个领域，极大推动了流体力学、传热学等相关领域的科学发展。

但是对于螺旋桨类的叶片，目前的常规的PIV测量设备难以测量，现有设备过于复杂所以无法用简单的方法测量其周围流场变化情况。一般利用空泡气筒PIV测量螺旋桨流场，但是空泡气筒操作复杂，而且设备价格昂贵。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低，适用于螺旋桨类叶片流场测量的螺旋桨叶片外部流场粒子图像测速试验装置。

为了解决上述技术问题，本发明的螺旋桨叶片外部流场粒子图像测速试验装置包括支撑模块、电驱动模块、水循环模块、激光器位置调节模块、激光器、相机运动模块、CCD相机；所述水循环模块为透光水箱、水泵、流量计以及水管组成一个封闭的回路，透光水箱固定在支撑模块上；被测螺旋桨安装在透光水箱内，并且可以通过固定在透光水箱外的电驱动模块驱动旋转；激光器安装在激光器位置调节模块上，可相对于透光水箱作六自由度运动并对准透光水箱；CCD相机安装在相机运动模块上，可相对于透光水箱作六自由度运动并对准透光水箱；激光器位置调节模块包括底座、竖直导轨、z向移动部件和万向节支架；竖直导轨固定在底座上，z向移动部件安装在竖直导轨上且可沿竖直导轨作z向移动；z向移动部件通过万向节支架与激光器连接；激光器可在激光器位置调节模块上相对于透光水箱作六自由度运动并对准透光水箱；相机运动模块包括横梁、立柱、万向支臂；立柱与支撑模块连接，可锁紧固定或沿y方向移动；横梁与立柱通过压铸角铝和锁紧螺钉连接，可锁紧固定在立柱上或沿立柱作x向和z向移动；横梁通过万向支臂连接CCD相机，CCD相机可绕着x轴的转动、绕着y轴的转动和绕着z轴的转动。

所述的支撑模块包括由12根铝型材通过压铸角铝固定连接在一起形成的长方体支架及固定在其顶部的至少一个横板；透光水箱和电驱动模块固定在横板上。

所述支撑模块的底部固定有四个地脚。

所述的电驱动模块包括减速电机、联轴器以及光栅码盘；联轴器把减速电机转轴与螺旋桨转轴连接在一起，光栅码盘安装在螺旋桨转轴的端部。

所述的竖直导轨和z向移动部件均采用铝型材，两个铝型材通过压铸角铝和锁紧螺钉连接。

本实验装置在工作过程中，透光水箱及电驱动模块固定在支撑模块上方，由电驱动模块驱动螺旋桨旋转，水循环模块中由水泵控制水的循环流动；螺旋桨转速变化信息由光栅码盘进行检测，光栅码盘测得的螺旋桨转速变化信息以及流量计测得的并流量大小信息传输给计算机。同时通过激光器位置调节模块调节激光相对透光水箱的位置和入射角度，使激光在透光水箱内部形成一个切片，调节相机运动模块使PIV相机捕捉到切片上的粒子流动信息；最终通过计算机软件处理得到该切片位置的流场图。

由于螺旋桨工作时的进速较大，利用传统实验方式难以实现测量，本发明采用缩小版的螺旋桨并且降低螺旋桨旋转速度，从而降低所需水泵的流量，在技术上或可实现精确测量。在测量过程中，将实验模型、螺旋桨转速和水泵流量记录下来，就可以通过CFD软件模拟计算该流场，并将试验数据和模拟数据进行对比，最终验证CFD算法的准确性和有效性。