基于循环水洞的非定常空化流动多场同步测量系统

摘要

本发明涉及一种基于循环水洞的非定常空化流动多场同步测量系统，属于船舶与水下航行器工程、水利水电工程技术领域。连接关系：激光发生器发出激光通过激光导臂照射到实验模型上；激光导臂依次与激光发生器、电脑主机箱连接；高速相机采集的图片传输到电脑主机箱中；压力传感器采集的压强信号通过信号调理器与数据采集卡传输到另一个电脑中；试验段顶部安装有透明有机玻璃；同步触发开关同时控制高速相机与数据采集卡。本发明能够实现多种实验测量设备对空化流场的同步观察与测量，最终实现对空化非定常过程这种多场耦合的复杂流动现象进行全面的研究。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于循环水洞的非定常空化流动多场同步测量系统，属于 船舶与水下航行器工程、水利水电工程技术领域。

背景技术

在高速水流中，当某一位置处的压力降低到饱和蒸汽压力以下时，将产生 空化现象。空化流动伴随着空穴的生长、溃灭等复杂非定常流动特征，这类现 象会对水力机械产生很多不利影响，例如表面材料损伤，振动和噪声，以及功 率损失等。

在过去几十年，针对空化现象的实验研究很多，研究设备主要有高速摄像 技术、粒子测速技术PIV和激光多普勒测速LDV激光诱导荧光LIF和微小型传 感器。这些先进实验手段的出现，推动着人们对空化现象认识的深入，例如， 北京理工大学的王国玉等分别采用高速摄像技术和粒子测速技术PIV研究了绕 翼型和回转体的空穴形态演变过程以及空化流动的速度场。江苏大学的王勇等 人采用高速摄像技术和压力传感器分别采集了空化流动的空穴形态和空化流场 的振动噪声信号。

但是，这些试验设备均是通用仪器，是针对运动场速度测量、压强场壁面 压强测量和密度场空泡形态分别进行的。当前在实验研究空化流动特性时，往 往单独采用高速摄像技术对空化形态进行拍摄或者单独采用压力传感器对流场 压力波动进行测量，缺乏对同一时刻不同流场变量之间关系的认识，难以对空 化非定常过程这种多场耦合的复杂流动现象进行全面的研究。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有采用单一测量设备实验方法无法同时获取空 化流动的密度场、运动场和压强场的问题，提供一种基于循环水洞的非定常空 化流动多场同步测量系统。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

基于循环水洞的非定常空化流动多场同步测量系统，由实验平台、粒子图 像测速子系统、压力测量子系统和同步触发子系统四个部分组成。

实验平台包括试验段，实验模型，透明有机玻璃。高速相机，激光器，片 光源及光路系统，数据采集系统；

所述实验模型底面开有螺纹通孔，用于安装压力传感器；压力传感器的感 压面与实验模型上表面齐平；

粒子图像测速子系统包括激光导臂，激光发生器，高速相机和电脑主机箱 和显示器。通过调节激光发生器的能量等级，使得空化流动区域的激光片亮度 达到高速相机的拍摄要求；所述高速相机安装时需要采用橡胶隔震垫和海绵隔 震垫双重隔震措施。

压力子测量子系统包括压力传感器、信号调理器、数据采集卡和电脑主机 箱和显示器。

同步触发子系统包括同步触发开关。

激光发生器发出激光通过激光导臂照射到实验模型上；激光导臂依次与激 光发生器、电脑主机箱连接；高速相机采集的图片传输到电脑主机箱中；压力 传感器采集的压强信号通过信号调理器与数据采集卡传输到另一个电脑中；试 验段顶部安装有透明有机玻璃；同步触发开关同时控制高速相机与数据采集卡；

工作过程：首先，调节流动参数，使循环水洞试验段的扩张流道内产生空 化流动；然后分别启动粒子图像测速子系统和压力测量子系统，分别设置粒子 图像测速和压力测量的采集频率以及采集时间长度；接下来，使粒子图像测速 子系统和压力测量子系统处于等待触发状态；之后，从试验段透明有机玻璃观 察空化流动状态，当观察到空化流动状态时触发同步开关；粒子图像信息和压 力脉动信号分别存储至各自连接的电脑。最后，对多场同步采集数据进行分析， 完成上述步骤之后可以结束实验。

有益效果

1、本发明的基于循环水洞的非定常空化流动多场同步测量系统，引入同步 触发技术，将各种通用测量设备结合在一起，从而实现多种实验测量设备对空 化流场的同步观察与测量，最终实现对空化非定常过程这种多场耦合的复杂流 动现象进行全面的研究。

2、本发明的基于循环水洞的非定常空化流动多场同步测量系统，压力传感 器的感压面与实验模型上表面齐平，即压力传感器直接与流动区域接触，测量 数据更准确。

附图说明

图1是本发明基于循环水洞的非定常空化流动多场同步测量系统的示意图；

图2是实验模型示意图；

图3是实验模型过传感器安装位置的纵向剖面图；

图4是实验模型过传感器安装位置的横向剖面图；

图5是本发明基于循环水洞的非定常空化流动多场同步测量系统的操作流 程图。

其中，1—激光导臂，2—激光片，3—透明有机玻璃，4—激光发生器，5— 试验段，6—高速相机，7—电脑主机箱，8—显示器，9—同步触发开关，10— 压力传感器，11—信号调理器，12—数据采集卡，13—实验模型。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例1

基于循环水洞的非定常空化流动多场同步测量系统，它由实验平台、粒子 图像测速子系统、压力测量子系统和同步触发子系统四个部分组成，如图1所 示。

实验平台包括试验段5，实验模型13，透明有机玻璃3。所述实验模型13 底面开有螺纹通孔，用于安装压力传感器10，压力传感器10的感压面与实验模 型13右侧的上表面齐平，其中实验模型13、过传感器安装位置的纵向剖面图和 横向剖面图分别如图2、图3和图4所示；

粒子图像测速子系统包括激光导臂1，激光发生器4，高速相机6和电脑主 机箱7和显示器8。通过调节激光发生器4的能量等级，使得空化流动区域的激 光片2亮度达到高速相机6的拍摄要求；所述高速相机安装时需要采用橡胶隔 震垫和海绵隔震垫双重隔震措施。

压力子测量子系统包括压力传感器10、信号调理器11、数据采集卡12和 电脑主机箱7和显示器8。

同步触发子系统包括同步触发开关9。

激光发生器4发出激光通过激光导臂1照射到实验模型13上；激光导臂1 依次与激光发生器4、电脑主机箱7连接；高速相机6采集的图片传输到电脑主 机箱7中；压力传感器10采集的压强信号通过信号调理器11与数据采集卡12 传输到另一个电脑中；试验段5顶部安装有透明有机玻璃3；同步触发开关9同 时控制高速相机6与数据采集卡12；

工作过程，如图5所示：

a.首先，调节来流速度为5m/s，使循环水洞试验段5的扩张流道内产生空 化流动；

b.分别启动粒子图像测速子系统和压力测量子系统；

c.分别设置高速相机6和压力传感器10的采集频率和采集时间长度分别为 3000hz和5s；

d.使粒子图像测速子系统和压力测量子系统处于等待触发状态，随时准备 接收同步触发开关的控制信号；

e.当观察到扩张流道内产生空化流动状态时触发同步开关9，产生触发信 号，使得粒子图像测速子系统和压力测量子系统同时开始采集数据信息；

f.采集的粒子图像测速信息和压力脉动信号被存储至电脑7；

g.在显示器8上观察多场同步采集数据，可以观察到某一时刻的密度场、 速度场和压力场，并进行多场信息之间的相关分析，如果需要继续测量，重复 d-g步骤；

h.结束实验。

采用上述测量方法测得的数据与单独采用高速相机和压力传感器分别测量 的精度是一样的，但是，应用同步触发技术，可以控制高速相机和压力传感器 同时采集，获得了同一时刻的多种流场信息，为空化流动这种多场耦合的复杂 流动现象的研究提供了极大的便利。

以上仅用以说明本发明的技术方案，本领域的普通技术人员可以对本发明 的技术方案进行修改或者等同替换。凡在本发明的精神和原则之内所作修改、 等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。