一种适用于动边界流场的高速摄像与PIV同步测量系统

摘要

本发明公开的一种适用于动边界流场的高速摄像与PIV同步测量系统，属于流体力学实验技术领域。本发明包括计算机、驱动控制器、驱动装置、水洞试验段、同步测量装置、PIV相机、激光发生器、高速摄像机。通过单向透视镜的透视效应实现PIV相机对被测水翼流场进行激光粒子图像测速，通过单向透视镜的反射效应实现高速摄像机对被测水翼流场进行全流场拍摄，从而实现高速摄像与PIV同步测量。通过将PIV相机的镜头与PIV拍摄口保持在同一轴系上，高速摄像机的镜头与高速摄像拍摄口保持在同一轴系上，从而保证同步测量的精确度。本发明能够实现动边界绕流流场高速摄像与激光粒子图像测速的同步测量，进而提高测量效率，且通过同步测量能够提高实验数据处理精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于动边界流场的高速摄像与PIV同步测量系统，属于流体力学实验技术领域。

背景技术

在航空航天领域，为了避免动力失速、结构上颤振和共振，振荡翼型的动态特性受到越来越多的重视。在水力机械研究中，旋转产生的附加作用力以及动静部件的扰动对湍流过程、边界层的发展、流动结构的时空分布有着重要的影响，非转动/转动部件的流场相互干扰的物理机制一直是研究的重点和难点。在螺旋桨、涡轮泵、水轮机启停机、飞逸、增减负荷等瞬态过程中，暂态过程瞬变流动会使升力面的有效攻角发生改变，其内部流动复杂多变，呈现出强烈的不稳定性。因此，了解物体在动态变化下非稳态水动力载荷和振动的变化，对了解水力机械瞬态过程非定常流动机理及动力特性，优化水力机械的设计，提高水力性能有着重要的意义。

水翼作为水力机械结构的基本单元，对于运动边界绕流问题研究往往被作为基本对象。实验研究是探寻物理机制的基础方法，其中高速全流场显示技术被广泛应用于流体实验测量研究中。高速全流场显示技术的工作原理主要是利用高速相机对流动现象进行拍摄，并针对拍摄图片进行定性分析。与此同时，激光粒子图像测速技术(PIV)由于具有全场、非接触测量等特点，也被广泛应用于流体实验测量研究中。将PIV技术应用于运动边界的流固耦合流场测量实验研究中，即可以得到固体结构边界运动信息，还可以获取瞬时全场速度矢量，克服了单点测量的局限性。同步采集得到的固体运动规律、速度场、涡量场等信息，可以帮助深入研究流固耦合这类复杂问题的瞬态耦合过程。然而对于高速全流场显示技术以及PIV技术往往大都分别进行测量，难以保证两者的同步性，进而导致流场相关信息分析困难。尤其针对动边界绕流问题研究，为了分析在动态变化下非稳态流场以及水动力载荷的变化，二者的同步测量显得尤为重要。因此，急需提出一种适用于动边界流场的高速摄像与PIV同步测量系统。

发明内容

为了解决现有技术存在对于动边界绕流流场高速摄像与PIV(激光粒子图像测速)无法同步测量的问题，本发明公开的一种适用于动边界流场的高速摄像与PIV同步测量系统要解决的技术问题是：实现动边界绕流流场高速摄像与激光粒子图像测速的同步测量，进而提高动边界绕流流场实验测量效率，且通过同步测量能够提高实验数据处理精度。

本发明目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种适用于动边界流场的高速摄像与PIV同步测量系统，包括计算机、驱动控制器、驱动装置、水洞试验段、同步测量装置、PIV相机、激光发生器、高速摄像机。所述水洞试验段后侧安装驱动装置，所述驱动装置与所述水洞试验段之间设有被测水翼；所述驱动装置通过所述驱动控制器与所述计算机连接。所述水洞试验段另一侧布设有PIV相机，所述水洞试验段的水翼正下方布设激光发生器，所述PIV相机与所述水洞试验段之间布设同步测量装置，所述同步测量装置布设有PIV拍摄口、高速摄像拍摄口、同步拍摄口；所述PIV拍摄口平行于所述同步拍摄口，所述高速摄像拍摄口垂直于所述同步拍摄口；所述PIV拍摄口、所述高速摄像拍摄口与所述同步拍摄口三者内部设有单向透视镜。在所述PIV拍摄口通向所述同步拍摄口的方向上，所述单向透视镜为透镜；在所述同步拍摄口通向所述PIV拍摄口的方向上，所述单向透视镜为反光镜。所述PIV相机、所述高速摄像机通过导线与所述计算机连接。在所述水洞试验段与激光发生器之间的光路布设便于激光投射的透明板。所述水洞试验段与同步测量装置之间的光路布设便于拍摄的透明板。

优先地，所述计算机用于控制所述驱动控制器，并用于所述PIV相机和所述高速摄像机地触发和数据采集。

优先地，所述同步测量装置形状为三通装置，进一步优选，形状为三通圆筒装置。

优先地，所述PIV相机的镜头与所述PIV拍摄口同轴安装，所述高速摄像机的镜头与所述高速摄像拍摄口同轴安装。

本发明公开的一种适用于动边界流场的高速摄像与PIV同步测量系统的工作方法为：首先通过计算机1设置被测水翼的运动参数，将指令发送给驱动控制器2，从而控制驱动装置3驱动被测水翼运动。然后通过激光发生器7照亮水洞试验段4，开启PIV相机6以及高速摄像机8。在试验中，在PIV相机6的前侧安装同步测量装置5，在同步测量装置5内部设有单向透视镜5.4，同时保证PIV相机6的镜头与PIV拍摄口5.1保持在同一轴线上，保证高速摄像机8的镜头与高速摄像拍摄口5.2保持在同一轴线上，通过单向透视镜5.4的反射效应实现高速摄像机8对被测水翼流场进行全流场拍摄，通过单向透视镜5.4的透视效应实现PIV相机6对被测水翼流场进行激光粒子图像测速，从而实现对PIV测量与高速摄像的同步。与此同时，通过计算机1对PIV相机6以及高速摄像机8进行触发以及数据采集控制，实现动边界绕流流场高速摄像与激光粒子图像测速地同步测量，进而提高动边界绕流流场试验测量效率，且通过同步测量能够提高试验数据处理精度。

有益效果：

1、本发明公开的一种适用于动边界流场的高速摄像与PIV同步测量系统，通过设置单向透视镜，通过单向透视镜的透视效应实现PIV相机对被测水翼流场进行激光粒子图像测速，同时通过单向透视镜的反射效应实现高速摄像机对被测水翼流场进行全流场拍摄，从而实现高速摄像与PIV同步测量。

2、本发明公开的一种适用于动边界流场的高速摄像与PIV同步测量系统，通过将PIV相机的镜头与PIV拍摄口保持在同一轴系上，高速摄像机的镜头与高速摄像拍摄口保持在同一轴系上，从而保证同步测量的精确度。

3、本发明公开的一种适用于动边界流场的高速摄像与PIV同步测量系统，通过设置计算机以及驱动装置，能够智能便捷地实现对被测水翼运动的控制；同时实现对PIV拍摄及高速摄像数据的同步触发以及快速数据采集，实现动边界绕流流场高速摄像与激光粒子图像测速地同步测量，进而提高动边界绕流流场实验测量效率，且通过同步测量能够提高试验数据处理精度。

4、本发明公开的一种适用于动边界流场的高速摄像与PIV同步测量系统，PIV相机、高速摄像机均为实现远距离测量，不影响实验过程，因此，适用于静态条件以及各种动边界绕流同步测量实验。

附图说明

图1是本发明公开的一种适用于动边界流场的高速摄像与PIV同步测量系统的工作示意图；

图2是本发明公开的一种适用于动边界流场的高速摄像与PIV同步测量系统的同步测量装置的剖视图；

图3是本发明公开的一种适用于动边界流场的高速摄像与PIV同步测量系统的同步测量装置的三维视图；

其中，1-计算机，2-驱动控制器，3-驱动装置，4-水洞试验段，5-同步测量装置，6-PIV相机，7-激光发生器，8-高速摄像机，5.1-PIV拍摄口，5.2-高速摄像拍摄口，5.3-同步拍摄口，5.4-单向透视镜。

具体实施方式

下面结合附图，具体说明本发明的具体实施方式。

实施例1

如图1、图2、图3所示，该系统包括计算机1，驱动控制器2，驱动装置3，水洞试验段4，同步测量装置5，PIV相机6，激光发生器7，高速摄像机8。水洞试验段4后侧安装驱动装置3，驱动装置3与水洞试验段4之间设有被测水翼；所述驱动装置3通过驱动控制器2与计算机1连接。水洞试验段4另一侧布设有PIV相机6，水洞试验段4的水翼正下方布设激光发生器7，PIV相机6与水洞试验段4之间布设同步测量装置5，同步测量装置5布设有PIV拍摄口5.1、高速摄像拍摄口5.2、同步拍摄口5.3；PIV拍摄口5.1平行于同步拍摄口5.3，高速摄像拍摄口5.2垂直于同步拍摄口5.3；PIV拍摄口5.1、高速摄像拍摄口5.2与同步拍摄口5.3三者内部设有单向透视镜5.4。在PIV拍摄口5.1通向同步拍摄口5.3的方向上，单向透视镜5.4为透镜；在同步拍摄口5.3通向PIV拍摄口5.1的方向上，单向透视镜5.4为反光镜。PIV相机6、高速摄像机8通过导线与计算机1连接。在水洞试验段4与激光发生器7之间的光路布设便于激光投射的透明板。水洞试验段4与同步测量装置5之间的光路布设便于拍摄的透明板。计算机1用于控制驱动控制器2，并用于PIV相机6和高速摄像机8地触发和数据采集。

如图1所示，PIV相机6的镜头与PIV拍摄口5.1保持在同一轴系上，高速摄像机8的镜头与高速摄像拍摄口5.2保持在同一轴系上。如图2所示，同步测量装置5形状为三通圆筒装置。

如图1、图2、图3所示，本实施例公开的一种适用于动边界流场的高速摄像与PIV同步测量系统的工作方法为：首先通过计算机1设置被测水翼的运动参数，将指令发送给驱动控制器2，从而控制驱动装置3驱动被测水翼运动。然后通过激光发生器7照亮水洞试验段4，开启PIV相机6以及高速摄像机8。在试验中，在PIV相机6的前侧安装同步测量装置5，在同步测量装置5内部设有单向透视镜5.4，同时保证PIV相机6的镜头与PIV拍摄口5.1保持在同一轴线上，保证高速摄像机8的镜头与高速摄像拍摄口5.2保持在同一轴线上，通过单向透视镜5.4的反射效应实现高速摄像机8对被测水翼流场进行全流场拍摄，通过单向透视镜5.4的透视效应实现PIV相机6对被测水翼流场进行激光粒子图像测速，从而实现对PIV测量与高速摄像的同步。与此同时，通过计算机1对PIV相机6以及高速摄像机8进行触发以及数据采集控制，实现动边界绕流流场高速摄像与激光粒子图像测速地同步测量，进而提高动边界绕流流场试验测量效率，且通过同步测量能够提高试验数据处理精度。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。