一种用于舰船空气流场测量的PIV风洞试验方法与流程

本发明涉及一种风动测试技术，特别是一种用于舰船空气流场测量的PIV风洞试验方法。

背景技术：

激光粒子流场测试设备(PIV)是一种通用的流场测试设备，一般可用于测量风洞中或外部风环境中的试件周围的空气流场，具有测量精度高、测量速度快等优点。

通用的PIV激光粒子流场测试设备基本测试流程如图1所示，试验数据处理方法如图2所示，需要的测量面如图3所示。从图1所示测量方法来看，为全面测量船只艉部流场，需开展数千次手动移位，每次移位还需校正对准，每个状态的调试周期长达1个小时以上。从图3所示的测量面定义来看，每个测量面都超过了PIV系统的有效测试范围，每个测量面还需多次测量后拼接，如此计算，每条船仅艉部流场的测量就需要耗费数千小时的有效时间。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于舰船空气流场测量的PIV风洞试验方法，解决了现有技术测量进度慢、耗费时间长的缺陷，加快了试验进度，提高了定位精度和速度，具有很好的使用价值。

本发明的技术解决方案是：一种用于舰船空气流场测量的PIV风洞试验方法，包括如下步骤：

(1)在试验风洞的流场中布撒大量示踪粒子，令示踪粒子跟随流场运动，把YAG双脉冲式激光器产生的激光束经过组合透镜扩束成片光照明流场，使用跨帧CCD相机连续拍摄流场照片，得到多组前后两帧示踪粒子图像；

(2)对前后两帧示踪粒子图像进行相关计算，得到流场一个切面内粒子的速度分布，进而得到流场涡量、流场流线、流场等速度线；

(3)在金属材质水线模型的舰模表面涂以亚光黑漆，其中，舰模能够在水平面内运动，并可以改变舰模中纵线与风洞来流风向的夹角、舰模横摇角和纵摇角；

(4)使用CCD相机并列摆放，每台CCD相机的轴线均垂直于激光片光面进行试验测量，采用PIV二维测量方式，在不移动CCD相机的前提下，分别改变舰模中纵线与风洞来流风向的夹角、舰模横摇角或者纵摇角，进而得到舰模在不同舰模中纵线与风洞来流风向的夹角、舰模横摇角或者纵摇角情况下不同舰模测量截面中示踪粒子的多组测量数据；

(5)根据步骤(4)得到的多组示踪粒子测量数据生成多个空气流场速度云图和空气流场流线图，然后根据流场涡量、流场流线、流场等速度线完成舰模不同测量截面的空间重构。

所述的示踪粒子直径<80μm。

所述的舰模的横摇状态为3°、8°、无横摇，纵摇状态为±2°、±4°、无纵摇。

所述的步骤(4)中的两台CCD相机的视场的边界线重合，CCD相机两帧之间的最小曝光时间间隔<1μs。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用激光PIV技术测量舰模流场，相对于采用七孔探针或热线风速仪而言，测量设备本身不对流场产生干扰，可明显提高测量的准确性；

(2)本发明通过使用全方位移测架，可以明显提高舰模调整位置和角度的速度及精度，从而节约了时间，提高了试验效率。

附图说明

图1为通用的PIV流场测量方法流程图；

图2为通用的PIV流场试验数据处理流程图；

图3为测量面定义示意图；

图4为本发明方法中舰模安装试验台设计方案示意图。

具体实施方式

本发明克服现有技术的不足，提供了一种用于舰船空气流场测量的PIV风洞试验方法，解决了现有技术测量进度慢、耗费时间长的缺陷，加快了试验进度，提高了定位精度和速度，具有很好的使用价值。

(1)激光粒子图像测速(PIV)系统设计

粒子图像测速(PIV)技术为非接触式测量，不仅克服了探针对流场的干扰，且具有测量精度高、没有偏角范围限制的优点，因此PIV在空间流场的速度、方向以及旋涡特性等测量中得到了广泛应用。

PIV粒子图像测速系统，其硬件部分主要由两台跨帧CCD相机、YAG双脉冲式激光器、同步控制器、图像采集板和计算机等组成。该系统速度场测量精度为0.25个像素，测速范围0～1000m/s，最佳测试区域400mm×300mm。其中的CCD相机为PIV专用相机，通过单次触发瞬间捕捉两帧图像，两帧之间的最小曝光时间间隔<1μs；两台PIV专用双脉冲激光器经过光束合束器通过一个光路出口发射出来，经过导光臂和片光源系统，产生照明流场的脉冲片光源，片光源厚度1～6mm可调；系统各部分的协调工作由同步控制器保证。

在试验风洞的流场中布撒大量示踪粒子(小于10微米)跟随流场运动，把YAG双脉冲式激光器产生的激光束经过组合透镜扩束成片光照明流场，使用数字相机(跨帧CCD相机)拍摄流场照片，得到前后两帧粒子图像，对图像中的粒子图像进行相关计算得到流场一个切面内定量(粒子)的速度分布，进一步处理可得流场涡量、流线以及等速度线等流场特性参数分布。

已知的时间间隔内Δt内，跟随流体流动的示踪粒子被由脉冲激光器发出，经过透镜组作用的片光照射，粒子的瞬间位置以粒子图像的曝光记录在CCD芯片上。如果我们知道在t₁与t₂这两个时刻同一颗粒微团的位移变化，从记录所得颗粒图像中，根据速度的定义式就可以获得颗粒群在t₁时刻的运动速度，公式如下所示：

在应用PIV技术时，有三个假设：

1)示踪粒子跟随流体运动

由于PIV技术是通过测量示踪粒子的运动速度来测量流体运动速度，这就要求示踪粒子相对于流体有很好的跟随性。当示踪粒子直径d≤10μm时，它与流体跟随性是比较好的。

2)示踪粒子在流场中均匀分布

如果示踪粒子在流场中没有均匀分布，则在粒子浓度过大或过小处容易产生明显的错误向量。通过实施向量修正可以去除部分错误向量，但如果错误向量过多时，则无法完全去除。

3)判读区内具有唯一的速度

在实际情况下，无法做到采集图像中各个局部地区均能满足粒子分布均匀的要求，所以相关计算结果中经常出现少数明显有错误的矢量，因此速度修正方法往往是必不可少的一个步骤。软件中对错误向量修正基本思路是：根据流体连续性方程，一个计算点周围的速度与它之间的差异不能太大。

测试设备硬件系统包括：照明激光器、同步控制器、图像采集板、高速数字相机和计算机等。对于PIV全场测速来说，粒子的选择及布撒是一项重要的实验参数，粒子直径、密度、布撒均匀度和浓度直接影响试验结果的真实性。用于风洞试验的舰模尺寸较大，所测流场区域大，试验状态多，一般的烟雾发生器无法满足粒子布撒要求。以测量平均流场为主的风洞试验中，可布撒粒径<80μm的固体粒子。

(2)全方位移测架系统设计

全方位移测架系统包括支撑和连接机构以及实现舰模(试验模型采用金属材质水线模型，舰模表面涂以亚光黑漆，防止模型表面反光，对相机的感光芯片形成干扰，从而影响测量结果；机库大门分别为开、关和半开状态)运动的机构等。

1)二维十字运动平台

二维十字运动平台的作用是实现舰模在水平面内的运动，通过舰模的移动来测量不同的横向和纵向截面。平台自重170kg，最大承重300kg，中间滑块尺寸355mm×355mm，运动行程1000mm×650mm，滑块由伺服电机驱动，运动距离精确可控。

2)360°分度盘

360°分度盘的作用是使舰模能够在水平面内改变任意角度，以模拟舰船不同风向角的试验状态。分度盘自重80kg，最大承重400kg，行程360°，手动调节。分度盘精度为1°，可满足试验中对不同风向角的试验需求，其中，风向角为舰模中纵线与风洞来流风向的夹角。

3)固定平台及圆形活动平板

固定平台用来模拟海平面，并起到一定的支撑作用，平台上有一较大圆形孔，可使舰模在水平面上进行任意方向运动。固定平台支架由40mm×40mm的铝型材制作，平板由木板拼接得到。木板上再覆盖一层防静电台垫，保证台面的平整和光洁。圆形活动平板由钢板裁制，与连接裙固定，是为了保证舰模运动时平台没有镂空区域，圆形平板的尺寸大于平台孔的尺寸，厚度为2mm，并在边界上做倒角处理。

图4为本发明方法中舰模安装试验台设计方案示意图，从图中可以看出试验台主要由基座、二维十字运动平台、360°分度盘、连接件、圆形平板、固定平台和连接裙等几个部分组成。垫连接裙是为了使舰模设计水线以上部分在平板边界层梯度范围之外，连接裙的高度根据平板边界层厚度决定。连接裙的不同形状可以改变舰模的横摇角和纵摇角，由于要测量的横摇状态为3°和8°，纵摇状态为±2°和±4°，加上无横摇和纵摇的状态，故一共要制作7块不同形状的连接裙，根据不同试验状态进行更换。

(3)PIV安装

为满足对甲板区域范围内流场测试的要求，采用PIV二维测量方式，由于PIV二维测量区域有限(400mm×300mm)，拟使用两台相机并列摆放，每台相机的轴线均垂直于激光片光面进行试验测量，测量区域为800mm×300mm，其中，两台相机的视场的边界线重合，两帧之间的最小曝光时间间隔<1μs。

当船模处于同一风向角时，在不移动CCD相机的前提下，可通过二维十字运动平台整体平移舰模前后、左右位置至下一测量截面，从而提高测试效率。

对船模在多组风向角下进行测量，得到船模在不同风向角下不同测量截面下的多组测量数据，其中一组测量数据为当前风洞流场中一个切面内定量(粒子)的速度分布。

(4)试验数据处理方法

PIV系统工作时，通常将若干组瞬时流场图像同时保存，然后进行两两配对求解，利用专用算法得到当前时刻的若干幅瞬时流场图像，开展人工分拣筛选(比如没有粒子运动的瞬时流场图像)，得到部分有效数据，并计算得到每个粒子的速度平均值，从而获得各测量截面的平均速度场和截面流线图。

需要开展人工分拣筛选的主要原因是：由于试验过程中，发烟装置可能发烟不连续或者某一时刻相机镜头被烟雾粒子污染等，均会产生不理想的结果图像，因此要人工先将其分拣筛除，再利用MicroVec软件将剩下的数据作平均处理后得到该测量截面流场数据文件。

最后，使用Tecplot软件导入流场数据文件绘制速度云图和流线图等，并进行测量截面的空间重构，使流场流态更直观。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。