基于piv的机舱内空气流动大尺寸测量实验装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机舱环境参数的实验研宄领域，具体涉及一种针对机舱内复杂空气流动的大尺寸光学实验装置及测量方法。
【背景技术】
[0002]随着科技和民航事业的发展，民用客机作为提供高速快捷的公共运输服务的交通工具，逐渐成为大众化的出行方式。目前全世界每年有超过20亿人选择乘坐飞机出行，并且这个数字还将不断增加。随着空乘旅客数量的不断增加，由乘坐飞机所带来的问题也将不断攀升。很多乘客在乘坐飞机时都或多或少感觉到不舒适。同时，国际航班大大增加了传染性疾病在国际间迅速传播的机会。因此，如何营造一个安全、健康和舒适的机舱环境对于机组人员和乘客的生命安全、身体健康和舒适就显得尤为重要。在影响机舱环境的多种参数中，空气流动规律是最为关键的参数之一。机舱内流场不仅影响乘客周围的环境舒适性，还是气载污染物和颗粒物的传播载体。因此，研宄分析机舱内空气流动的特征和分布规律是解决这一关键问题的科学基础。同时，设计合理高效的机舱气流组织形式对节约客机环控系统的能源消耗，提升客机的市场竞争力也具有重要作用。
[0003]然而，机舱环境中的空气流动具有低速、高脉动的复杂弱湍流流动特性。准确研宄机舱内空气流动规律是十分具有挑战性的工作。国内外研宄机舱内空气流动的方法主要包括实验测量和数值模拟两种手段。实验测量被认为是可以准确获得舱内空气流动信息的方法。但实验测量往往耗时长、花费高、同时测量数据受限制较大。数值模拟主要通过计算流体力学(Computat1nal Fluid Dynamics, CFD)的方法对机舱内空间进行仿真建模研宄。CFD模拟具有经济、高效、数据全面等优势。但CFD模拟的准确性往往受到边界条件，湍流模式和单元体划分等各方面因素的影响，必须要通过实验测量的数据进行验证。由此可见，实验测量不仅能获得机舱内的空气流动信息，同时还能和CFD模拟相辅相成，因此，实验测量对研宄机舱内空气流动规律具有重要的意义。
[0004]机舱内空气流动的测量方法主要包括单点测量技术和全场测量技术。传统单点测量技术主要包括热线风速仪，热球风速仪和超声波风速仪。使用单点测量技术可以获得单个测量点上的流动信息，用于提供CFD模拟所需的边界条件和验证特定位置的模拟结果。但单点测量技术往往获得的流动信息量较少，难以对机舱内的较大空间的整体流场进行有效描述。同时传统单点测量技术为嵌入式测量，对测量区域流场有干扰，影响测量结果准确性。
[0005]全场测量技术主要是指借助光学手段对一定区域范围内的流场进行全场测量。其中，粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry，PIV)是一种较为先进的全场测量技术。PIV技术可以获得整个测量区域内的瞬时流场和平均流场信息，同时是非干扰式测量，对测量区域流场没有扰动。基于PIV技术，可以针对一些缩尺模型内的流动就行测量，如液力减速器(CN 103048114 B)、人体上呼吸道模型(CN 102564728 B)和城市空间缩尺模型(CN 100458372C)。由此可见，目前PIV技术基本只应用于小尺寸模型内部的流动测量。
[0006]PIV技术特点同样适用对机舱环境中复杂湍流流动进行全场无干扰测量。然而，在机舱环境中应用PIV技术还存在很多限制和不足。其中，最主要的不足就在于PIV测量区域尺寸受到光强度的限制，相对于整个机舱的尺寸来讲较小，不能获得大尺寸的舱内完整流动信息，无法满足舱内空气流动规律分析和优化设计的需求。现有研宄尚缺乏针对机舱环境中大尺寸Piv测量的实验装置搭建和系统参数设置方法。因此，针对现有研宄的不足，亟需开发一种适用于机舱内空气流动大尺寸Piv测量的实验装置及方法。
【发明内容】
[0007]为了克服现有测量技术存在的不足，本发明提供一种基于PIV技术的机舱内空气流动大尺寸测量实验装置，利用该装置进行测量可获得机舱内完整高分辨率时均流场数据，既可用于流场涡旋结构特征、雷诺应力分布以及相干结构等流动规律的分析，也可以为CFD数值计算结果提供高质量的对比验证数据。
[0008]本发明提出的一种基于PIV的机舱内空气流动大尺寸测量实验装置，包括大功率双脉冲激光器系统、粒子图像拍摄系统、同步控制器、示踪粒子烟雾发生器和计算机；所述大功率双脉冲激光器系统放置于所测量机舱模型的外部，包括大功率双脉冲激光器、导光臂、片光源透镜组以及用于支撑片光源透镜组的三维坐标架；所述大功率双脉冲激光器用于产生高能量的脉冲激光光束，保证所述粒子图像拍摄系统能记录大尺寸、高亮度的示踪粒子图像；所述脉冲激光光束通过所述导光臂和片光源透镜组产生高能量的激光片光源，所述激光片光源的张开角度为30度，在所测量子区域内的厚度为3-5mm ;所述三维坐标架用于控制激光片光源的位置，照亮所测量子区域；所述粒子图像拍摄系统放置于所测量机舱模型的内部，用于记录示踪粒子图像；所述粒子图像拍摄系统包括高分辨率CCD相机和相机导轨；所述相机导轨用于对所述高分辨率CCD相机的位置进行定位，并垂直于激光片光源放置；所述高分辨率CCD相机采用双帧拍摄方式，记录很短跨帧时间内，两帧脉冲激光片光源照亮所测量子区域内的示踪粒子图像，并储存在相机存储器中；拍摄完成后，根据测量需求传输到所述计算机中；所述计算机通过同步控制器调控大功率双脉冲激光器和高分辨率CXD相机共同工作；所述示踪粒子烟雾发生器放置于所测量机舱模型上游送风管段的内部，通过远程遥控向所测量机舱模型内部发生示踪粒子；所述示踪粒子具有较好的空气流动跟随性和光学散射特性。
[0009]本发明一种基于PIV的机舱内空气流动大尺寸测量方法，利用上述基于PIV的机舱内空气流动大尺寸测量实验装置进行测量，将机舱测量截面划分成若干相对较小的测量子区域，根据大功率双脉冲激光器的输出能量，调整测量子区域的尺寸和数量；相邻测量子区域保留一定重叠区域；使用三维坐标架、片光源透镜组调节激光片光源束腰位置处于所测量子区域；使用相机导轨精确控制高分辨率CCD相机的位置，分别对各个测量子区域内的流场进行测量；使用示踪粒子烟雾发生器发生舞台烟油作为示踪粒子；根据测量子区域内预计最大的气流速度，选择合理的跨帧时间；使用计算机调控整个实验装置运行，获取测量过程中符合粒子浓度要求的每一时刻双帧示踪粒子图像；重复多次测量，增加示踪粒子图像样本数；使用计算机中存储的PIV分析软件对双帧粒子图像进行自适应互相关算法处理，获得每一时刻的瞬时流场信息；对各时刻的瞬时流场进行时间平均，得到各测量子区域内的时均流场；拼接各测量子区域内的时均流场，得到机舱截面完整高分辨率时均流场数据。
[0010]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0011]克服传统PIV测量技术存在的不足，实现了对机舱内不同截面内非定常空气流动的大尺寸无干扰测量，获得准确的大尺寸时均流场数据。由于对整体截面进行了划分，所以测量截面选择方便灵活、范围全面。对于每个测量子区域均采用高分辨率CCD相机进行测量，因此整体测量空间分辨率高，获得的流场信息完