[发明专利]一种基于PIV的平板湍流边界层流场结构测量装置及方法

说明书

本发明提供一种基于PIV的平板湍流边界层流场结构测量装置及方法，属于空气动力学测试技术领域。该实验装置包括风洞、测试平板、用于接收和记录粒子散射光的高速相机、发烟箱、激光器、片光系统。风洞由进气段段、稳定段、收缩段、实验段、扩张段、拐角段、动力段、出口段顺次连通构成，测试平板固定于实验段中央，发烟箱置于支架前端。激光器展光器将激光展成片光射入风洞中。本发明结构简单，操作简便，通过高速相机获得一段时间内流场瞬时图像，再由PIVLAB程序进行处理获得相应的瞬时速度场和涡量云图。本发明具有精度高，对设备要求较低，测试时间快等特点。

技术领域

本发明涉及一种基于PIV方法的平板湍流边界层流场结构测量装置，用于较低流速下平板壁面湍流边界层流场结构的测量，属于空气动力学测试技术领域。

背景技术

湍流属于一种非定常流动，如何有效描述湍流性质，是一个难题。随着人们不断深入地研究，发现湍流可以理解为多重不同尺度的涡结构与其随机运动构成。因此通过获得湍流流场进而分解成不同尺度，有助于我们对于湍流特性的认识。我们将这种方法应用于平板边界层的流场中，便于更深入了解其性质。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于PIV的平板湍流边界层流场结构测量装置，其主要特征为：

本发明的基于PIV的平板湍流边界层流场结构测量装置，包括风洞、测试平板、高速相机、发烟箱、激光器、展光器、反光片；

所述空气通道由进气段、稳定段、收缩段、实验段、扩张段、拐角段、动力段、出口段顺次连通构成，空气从进气段向出口段流动；在实验段内先后设置有压力传感器和测试平板，在动力段内部设置有变频电机、动力叶片及整流静叶片；

所述测试平板包括支撑架、透明平板、压力梯度调节板、电推杆、辅助支架、粗糙带、转捩拌线；透明平板置于支撑架上且水平固定在所述的空气通道实验段中央；辅助支架前缘与支撑架后缘铰接，辅助支架后缘与支撑架通过电推杆连接，压力梯度调节板固定于辅助支架上，粗糙带和转捩拌线依次布置于透明平板前缘；

所述的激光器固定在风洞实验段上方外壁面，通过反光片使激光垂直于测试平板。激光经过展光器形成片光后，射入风洞内，片光与测试平板垂直且平行于来流。测试平板被片光覆盖范围使用黑色光滑平板替换，减少反光影响。所述高速相机布置与风洞外，从侧面与片光垂直，聚焦于片光平面。

应用所述的测量平板湍流摩擦阻力的实验装置的方法，包括如下步骤：测试前调整激光垂直于测试平台后，使用展光器将激光展为片光且片光平面平行于来流。激光聚焦于测试平台上方不远处。使用贴有网格的平板与激光面贴合摆放，对高速相机进行对焦以及画幅等参数的确定。通过控制动力段的变频电机及动力叶片，使得风洞内产生指定速度流场，同时启动发烟器，使得发烟箱中充满烟雾后缓缓从出口溢出，在实验段形成流动速度均匀性好、湍流度低的紧贴测试平台的稳定流动烟雾之后。启动高速相机记录一段时间的影像。

其中高速相机工作分辨率为1150×710Pixels，采样频率为4500Hz，使用PIVLAB软件进行图像处理，互相关计算的查问域选为16×16Pixels，每个速度矢量的空间分辨率为1.12mm。通过相应邻查问域相邻帧之间的变化得到单帧内粒子的运动，通过重构获得两帧之间的瞬态速度场以及涡量云图。通过比较瞬态速度场与涡量云图变化，直观获得流场变化。

整个过程中，通过压力传感器测得的数据获得实验段内的气体流速，通过控制变频电机的转速调节整个空气通道内气体的流速，通过控制电推杆调节压力梯度调节板的角度，从而调节测量平板上表面流动的压力梯度分布，达到零压力梯度分布状态。