一种大攻角细长体模型PIV跟随拍摄装置的制作方法

一种大攻角细长体模型piv跟随拍摄装置
技术领域
1.本实用新型涉及航空航天实验装置技术领域，尤其是涉及一种大攻角细长体模型piv跟随拍摄装置。


背景技术：

2.流动速度场的测量是流体力学发展和实际工程应用的关键问题之一，不仅直接关系到诸如飞行器、汽车、高铁等流线型动力机械的外形设计和优化，还制约着流体力学的发展。尤其是在飞行器的研制过程中，流场速度的定量测量是更是一项不可或缺的内容。精确的速度测量对于理解流动机理、分析飞行器及其各部件的气动特性具有十分重要的意义。
3.粒子图像测速(particle image velocimetry，piv)技术是一种无干扰的测量流体中瞬时速度场的测量技术，利用高能量的脉冲激光照射实验区域内的示踪粒子，同时使用相机记录粒子的散射运动图像，通过相应的迭代重构算法反演计算处流场速度分布。虽然近年来，开始发展出多相机三维速度场测量技术，但仅限于基础研究，测量精度偏低，光学复杂度高，在飞行器流场验证应用中无法广泛推广应用，二维平面的piv技术在未来一段时间内仍是速度场测量的主流技术。
4.新一代飞行器对于复杂流场测量和诊断的技术需求不断增加。如以过失速快速反转导弹飞行过程中旋涡主导的复杂流动环境为研究背景，迫切需求对可压缩流动转捩、流动分离、旋涡运动以及主要流动参数的演化规律的测量。而现有的piv系统设备采用双曝光激光器和跨帧相机，受限于光学窗口的布置，较难实现细长体模型大攻角状态下的截面速度场拍摄，且攻角变化时，试验布局的调整也十分复杂，试验效率低下。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种大攻角细长体模型piv跟随拍摄装置，该大攻角细长体模型piv跟随拍摄装置能够针对目前细长体模型大攻角时横截面绕流场在风洞中不易布置piv拍摄布局的问题，实现细长体模型大攻角时横截面流场的跟随拍摄；
6.本实用新型提供一种大攻角细长体模型piv跟随拍摄装置，包括细长体模型、风洞、支撑臂和piv相机，所述细长体模型的一端设有模型支撑座，所述模型支撑座远离所述细长体模型的一端设有piv相机座，所述piv相机座的内部设有所述piv相机，所述piv相机座远离所述模型支撑座的一端设有所述支撑臂，所述支撑臂通过攻角机构转接杆与所述风洞的攻角机构相连。
7.进一步地，所述细长体模型包括模型头部段、模型中部段和模型尾部段，所述模型头部段的一端设有尖头，所述模型头部段远离所述尖头的一端设有所述模型中部段，所述模型中部段远离所述模型头部段的一端设有所述模型尾部段。
8.进一步地，所述支撑臂为短支撑臂，所述短支撑臂为缺口环形，所述短支撑臂的半径为所述攻角机构转接杆的回转半径，所述短支撑臂的两端与所述短支撑臂的圆心的连线的夹角为15
°
。
9.进一步地，所述支撑臂为长支撑臂，所述长支撑臂为缺口环形，所述长支撑臂的半径为所述攻角机构转接杆的回转半径，所述长支撑臂的两端与所述长支撑臂的圆心的连线的夹角为65
°
。
10.进一步地，所述支撑臂的迎风厚度不超过所述细长体模型的直径的0.75倍。
11.进一步地，所述支撑臂的迎风面设有迎风尖劈，所述优选尖劈的角度不超过45
°
且不小于30
°
。
12.进一步地，所述piv相机座的迎风厚度不超过所述细长体模型的直径的1.5倍。
13.进一步地，所述细长体模型的长度不超过所述细长体模型的直径的15倍且不小于所述细长体模型的直径的10倍。
14.进一步地，所述模型支撑座的长度不超过所述细长体模型的直径的1.5倍。
15.进一步地，所述模型支撑座的直径不超过所述细长体模型的直径的0.75倍。
16.本实用新型的技术方案通过将piv拍摄装置内置到风洞中，并作为连接模型和支撑段的一部分，可以与模型一起随攻角机构运动，在模型处于任意攻角时，都可以与模型保持固定的相对位置，再加上考虑到攻角的分区设计，在小攻角范围内(0
°
～40
°
)，采用短支撑臂，在大攻角范围内(50
°
～90
°
)采用长支撑臂，实现细长体模型大攻角状态下的截面速度场拍摄。
附图说明
17.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为短支撑臂型细长体模型正装模拟0
°
～40
°
攻角时的装置示意图；
19.图2为短支撑臂型细长体模型反装模拟140
°
～180
°
攻角时的装置示意图；
20.图3为长支撑臂型细长体模型正装模拟50
°
～90
°
攻角时的装置示意图；
21.图4为长支撑臂型细长体模型反装模拟90
°
～130
°
攻角时的装置示意图；
22.附图标记说明：
23.1-风洞侧窗口、2-模型头部段、3-模型中部段、4-模型尾部段、5-模型支撑座、6-piv相机、7-piv相机座、8-攻角机构转接杆、9-短支撑臂、10-长支撑臂；
具体实施方式
24.下面将结合实施例对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
25.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方
位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
26.此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本实用新型的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
27.实施例1
28.如图1-图4所示，一种大攻角细长体模型piv跟随拍摄装置，包括细长体模型、风洞、支撑臂和piv相机6，细长体模型的一端设有模型支撑座5，模型支撑座5远离细长体模型的一端设有piv相机座7，piv相机座7的内部设有piv相机6，piv相机座7远离模型支撑座5的一端设有支撑臂，支撑臂通过攻角机构转接杆8与风洞的攻角机构(图中未示出)相连。
29.细长体模型包括模型头部段2、模型中部段3和模型尾部段4，细长体模型的主体直径为d，模型头部段2、模型中部段3、模型尾部段4的长度分别为lh、lm、lt，模型总长l＝lh+lm+lt，设风洞试验段口径为h
×
w，其中h为高度，w为宽度，本实施例中的风洞选用fd-12风洞，对于fd-12风洞，h＝w＝1.2m，模型攻角一般在高度方向变化，由于大攻角时，模型头尾两端需要尽量避开试验段边界层的影响，所以要求l≤0.6h＝0.72m，且模型总长范围为10d≤l≤15d，可以据此设计模型的最大尺寸。本实施例中d取0.06m，l取720mm，即l＝12d。
30.模型支撑座5为连接细长体模型与piv相机座7的部件，模型支撑座5的长度为lz，直径为dz，由于细长体模型已经占据较长空间，所以模型支撑座5的长度lz≤1.5d，并且为了减少对主体结构的干扰，模型支撑段的直径dz≤0.75d。
31.由于需要进行piv光学试验，本装置对模型在侧窗投影范围内的放置位置也提出了要求。以fd-12风洞为例，风洞侧窗1的可视直径d2＝0.5m，其中，攻角机构转接杆8的旋转中心位于风洞侧窗1圆心向攻角机构方向0.25
×
d2的位置，也就意味着，攻角变化时，模型及支撑主体都会绕着这一点转动。为了使模型在任意攻角时均有比较大的可拍摄范围，模型轴向中心位置最好与攻角机构转接杆8的旋转中心重合，但由于实际设计的困难性，优选模型轴向中心位置与攻角机构转接杆8的旋转中心的偏差距离δs≤0.1
×
d2＝0.05m，该偏差可通过调整模型支撑座5的长度lz进行微调。
32.piv相机6用于拍摄被激光片光照明截面照明的piv流场，piv相机座7的大小依据piv相机6的需求来设计，但为了降低对模型主体流场的影响，piv相机座7的迎风厚度h7应尽量降低，使其满足h7≤1.5d，以保证piv相机座7的低干扰特性。
33.由于fd-12风洞现有攻角机构运行范围为α＝-15
°
～25
°
，为了实现0～40
°
的攻角运动，需要为模型攻角预置δα9＝15
°
的偏角，即当α＝-15
°
时，α9＝α+δα＝0
°
。为了满足预置偏角，短支撑臂9的基本构型为缺口圆环型，短支撑臂9的半径为攻角机构转接杆8的回转半径，短支撑臂9的两端与圆心的连线的夹角为15
°
，短支撑臂9投影宽度依据结构强度设计，但为了降低对模型主体流场的影响，短支撑臂9的流向厚度h9应尽量降低，使其满足h9≤0.75d，且短支撑臂9的迎风面应进行双侧倒角形成迎风尖劈，尖劈角β9的角度应满足30
°
≤β9≤45
°
。当模型尾部段4与模型支撑座5相连时，即可模拟0～40
°
的攻角运动，当模型头
部段2与模型支撑座5相连时，即可模拟140～180
°
的攻角运动。
34.由于fd-12风洞现有攻角机构运行范围为α＝-15
°
～25
°
，为了实现50
°
～90
°
的攻角运动，需要为模型攻角预置δα10＝65
°
的偏角，即当α＝-15
°
时，α10＝α+δα＝0
°
。为了满足预置偏角，长支撑臂10的基本构型亦为缺口圆环型，长支撑臂10的半径为攻角机构转接杆8的回转半径，长支撑臂10的两端与圆心的连线的夹角为65
°
，长支撑臂10投影宽度依据结构强度设计，但为了降低对模型主体流场的影响，长支撑臂10的流向厚度h10应尽量降低，使其满足h10≤0.75d，且长支撑臂10的迎风面应进行双侧倒角形成迎风尖劈，尖劈角β10的角度应满足30
°
≤β10≤45
°
。当模型尾部段4与模型支撑座5相连时，即可模拟50
°
～90
°
的攻角运动，当模型头部段2与模型支撑座5相连时，即可模拟90～130
°
的攻角运动。
35.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。