專利名稱：一種次流場瞬態(tài)特性的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量方法，特別是一種用于次流場瞬態(tài)特性的測量方法，該方法能夠?qū)o法用常規(guī)PIV測量的次流平均速度低于20%主流速度的 弱次流場進(jìn)行有效測量。
背景技術(shù)：
次流是指由主流引起的伴隨流動，在自然界和工業(yè)過程中廣泛存在。在 工業(yè)生產(chǎn)中，次流常常是流動損失的主要來源；而在許多領(lǐng)域，次流渦所具 有的強(qiáng)烈擬序結(jié)構(gòu)對優(yōu)化生產(chǎn)工藝又有特殊的作用，因此深入開展對次流的 研究對于航空、電力、化工、鋼鐵等高耗能企業(yè)的節(jié)能減排和優(yōu)化工藝過程 具有重要的作用。然而，受測試技術(shù)條件的限制，目前對次流的研究很難有 突破性的進(jìn)展，急需在試驗(yàn)方法上的創(chuàng)新。PIV是"Particle Image Velocimetry"的縮寫，它是在流動顯示技術(shù)基礎(chǔ) 上，利用圖形圖像處理技術(shù)發(fā)展起來的一種新的流動測量技術(shù)。它綜合了單 點(diǎn)測量技術(shù)和流場可視化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，克服了兩種測量技術(shù)的弱點(diǎn)而形成 的。因而具備了單點(diǎn)測量技術(shù)的精度和分辨率，又能獲得平面或空間流場顯 示的整體結(jié)構(gòu)和瞬態(tài)圖像。常用的PIV系統(tǒng)由四部分組成 一套雙脈沖激光器及其片光源、 一套或 兩套雙曝光CCD、同步控制器和計(jì)算機(jī)后處理軟件。根據(jù)PIV系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 原理，當(dāng)測量截面與流線平行時，由于出現(xiàn)在第一個片光源內(nèi)的粒子盡可能 多地出現(xiàn)在第二個片光源內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)高效粒子匹配，以得到最可靠的測量 結(jié)果。因此所有PIV系統(tǒng)都要求兩束激光片光源的位置重疊度要至少達(dá)到 95%以上。然而，將常規(guī)的PIV系統(tǒng)用于次流場測量時，為獲得整個流場的瞬態(tài)特 性，要求片光源與主流流線垂直，如附圖2所示。圖中的&為zU時間內(nèi)粒 子沿主流方向的位移量，而&則為^U時間內(nèi)粒子沿次流方向的位移量。隨 著&的增大，兩束片光內(nèi)可匹配的粒子對減少，最終導(dǎo)致査問區(qū)內(nèi)，互相關(guān) 運(yùn)算失敗或產(chǎn)生虛假匹配。大量的實(shí)踐表明，當(dāng)粒子沿片光源厚度方向的位 移超過1/4的片光厚度時，測量結(jié)果發(fā)生錯誤的幾率將大大增加。對次流平均速度大于20%主流速度的次流場測量，可適當(dāng)增大片光厚 度，以實(shí)現(xiàn)次流場的瞬態(tài)特性測量，但事實(shí)上，這種做法也是有限的。根據(jù) 申請人:的長期研究實(shí)驗(yàn)，在三維性較強(qiáng)的流場中，激光脈沖片光的厚度最好 不要大于査問區(qū)尺寸的四倍，否則很難獲得有效的矢量場。由此可以想象， 對普遍存在的小于20%主流速度的弱次流場可靠測量的難度當(dāng)滿足粒子沿 激光脈沖片光厚度方向的位移小于1/4的片光厚度時，粒子在次流方向上位 移太小，在大多數(shù)區(qū)域&常常小于1個像素，也已無法精確測定如此之小的 位移量。因此，對于次流場的測量，需要另辟蹊徑，既能充分利用piv系統(tǒng)的非 接觸式整場瞬態(tài)測量的優(yōu)勢，又能克服上述的對次流場測量的缺陷，是申請 人研究的課題之一。發(fā)明內(nèi)容針對常規(guī)PIV系統(tǒng)測量二次流場存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在 于，提出一種新的次流場瞬態(tài)特性的測量方法。為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案 一種次流場瞬態(tài)特性的測量方法，該方法采用常規(guī)的piv系統(tǒng)，其特征 在于，對piv系統(tǒng)的雙脈沖激光器的光路進(jìn)行調(diào)制，使其發(fā)出的兩束片光相 互平行但不重疊；兩束片光相互偏移的距離S等于或接近示蹤粒子沿主流方 向的位移A;兩束片光相互偏移距離S的范圍是0.5s1《S《1.5s1;兩束片光 在不同時刻分別打在兩個測量截面上，使片光跟隨主流運(yùn)動。本發(fā)明采用常規(guī)的PIV系統(tǒng)，能夠使得次流瞬態(tài)流場的測量如主流場測 量一樣可靠，特別是對于無法用常規(guī)PIV測量的次流平均速度低于20%主流 速度的弱次流場，其精度和可靠性接近于對主流的測量，具有非常高的可靠 性。


圖1是本發(fā)明的方法測量原理示意圖；圖2是常規(guī)PIV測量次流場示意圖；圖3是激光偏移后的PIV測量次流場示意圖；圖4是激光器調(diào)制示意圖；圖5是激光偏移后的PIV系統(tǒng)的典型測量結(jié)果.以下結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的次流場瞬態(tài)特性的測量方法，該方法采用常規(guī)的PIV系統(tǒng)，通 過對PIV系統(tǒng)的雙脈沖激光器的光路進(jìn)行調(diào)制，使其發(fā)出的兩束片光相互平 行但不重疊，相互偏移的距離等于或接近示蹤粒子沿主流方向的位移^;兩 束片光在不同時刻分別打在兩個測量截面上，使片光跟隨主流運(yùn)動，從而消 除粒子沿主流方向位移量對次流測量的影響。如附圖3所示，下部的區(qū)域代 表移動后的第二束片光的位置。片光移動距離^ (單位拜)大小正比于被 測主流平均速度",(單位m/s)，并與選取兩個激光脈沖發(fā)射時間的間隔」 f (單位^S)有關(guān)，其公式如下<formula>formula see original document page 5</formula> (1)而ZU的選擇還要考慮到粒子在次流截面上的平均位移量s2，為保證PIV 的測量精度，52常常取4--8pixd，其與次流速度的和Z!f的關(guān)系如下<formula>formula see original document page 5</formula> (2)
此處P(pm/pixel)是CCD攝像機(jī)每個像素代表的被拍視場的大小。在 實(shí)際操作中，拍攝前應(yīng)按照試驗(yàn)要求的空間分辨率選擇合適的戶，然后根據(jù) 事先估計(jì)的被測區(qū)域次流速度"2選擇」"將其和預(yù)估的^代入公式(1)， 即可得到第二束激光沿著主流方向的偏移量a。然后只需調(diào)整雙脈沖激光器 (如附圖4所示)的偏光鏡P、反光鏡M1和光導(dǎo)臂，使第二激光2在被測 流場截面A處與第一激光1平行，且相距a。實(shí)際上，在試驗(yàn)中并不需要精確估計(jì)^和的，只要知道其大致范圍即可 按上面的方法選擇a，然后試選幾組z^進(jìn)行拍攝，并從中優(yōu)化出最準(zhǔn)確捕 獲二次流的結(jié)果；如果調(diào)整」/仍無法滿足要求，可進(jìn)一步改變尸。為驗(yàn)證本發(fā)明涉及的二次流測試方法的有效性，申請人用常規(guī)PIV系 統(tǒng)，將片光偏移L2mm后，對汽輪機(jī)葉柵通道內(nèi)二次流場進(jìn)行的對比試驗(yàn)， 片光厚度均為l.Omm,主流速度約為110m/s。結(jié)果表明，采用常規(guī)PIV的測 量方法在測量區(qū)域根本無法得到有效的矢量，而將片光偏移后的測量結(jié)果如 附圖5所示?？梢钥吹奖景l(fā)明所提出的新測試方法對二次流瞬態(tài)流場測量是 非常有效的，其精度和可靠性接近于對主流的測量。
權(quán)利要求
1、一種次流場瞬態(tài)特性的測量方法，該方法采用常規(guī)的PIV系統(tǒng)，其特征在于，對PIV系統(tǒng)的雙脈沖激光器的光路進(jìn)行調(diào)制，使其發(fā)出的兩束片光相互平行但不重疊，兩束片光相互偏移的距離s等于或接近示蹤粒子沿主流方向的位移s1；兩束片光相互偏移距離s的范圍是0.5s1≤s≤1.5s1；兩束片光在不同時刻分別打在兩個測量截面上，使片光跟隨主流運(yùn)動。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述的PIV系統(tǒng)為二維PIV 或SPIV系統(tǒng)。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的兩束片光是以第一 個片光為基準(zhǔn)，第二個片光向主流方向下游偏移一段距離s，或者是以第二 個片光為基準(zhǔn)，第一個片光向主流方向上游偏移一段距離s。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種次流場瞬態(tài)特性的測量方法，該方法采用常規(guī)的PIV系統(tǒng)，通過對PIV系統(tǒng)中雙脈沖激光器的光路進(jìn)行調(diào)制，使其發(fā)出的兩束片光相互平行但不重疊，相互偏移的距離等于或接近示蹤粒子沿主流方向的位移s₁；兩束片光在不同時刻分別打在兩個測量截面上，使片光跟隨主流運(yùn)動；本發(fā)明的方法使得次流瞬態(tài)流場的測量如主流場測量一樣可靠，特別是對于無法用常規(guī)PIV測量的次流平均速度低于20％主流速度的弱次流場，其精度接近于對主流的測量，且具有非常高的可靠性。
文檔編號G01P5/18GK101210935SQ20071030770
公開日2008年7月2日 申請日期2007年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月21日
發(fā)明者豐鎮(zhèn)平, 劉觀偉, 毛靖儒, 王順森 申請人:西安交通大學(xué)