一种使用低频PIV测试高频扫掠射流瞬时特性的方法及装置

摘要

本发明提供了一种使用低频PIV测试高频扫掠射流瞬时特性的方案。扫掠射流由流体振荡器产生，以流体振荡器两侧反馈通道的压力差作为扫掠射流的扫动周期相位参考，通过快响应传感器与高频采样装置监测流体振荡器内的压差时域变化，获得流体振荡器内的振荡周期，通过对虚拟触发信号进行计数，在预设数量的虚拟触发脉冲经过计数器时刻输出触发信号（真实触发），激发PIV系统，PIV图像捕捉测量在扫掠射流振荡周期的数个预设相位进行，使得低频PIV可以准确捕捉高频扫掠射流特定相位下的瞬时行为。

说明书

技术领域

本发明涉及PIV技术领域，特别涉及一种使用低频PIV测试高频扫掠射流瞬时特性的方法及装置。

背景技术

对于高速列车来说，车身后部涡流会在高速列车的后表面产生低压区，增加了附加阻力。此外，车身后部涡流对空气流动的不稳定性会降低车身稳定性，并对在铁路站台等候的乘客和站台旁的服务人员产生巨大的风力，引发安全问题。因此，使用有效且稳健的流动控制方法来减弱车身后部涡流具有实际意义。

扫掠射流是近年来新兴的主动流动控制方式，其发生器无任何运动部件，仅凭借内部固有结构带来的流动不稳定性，将稳定的输入气流转化为时空振荡射流。此外，由于其往复扫掠行为，扫掠射流拥有比相似出口脉冲射流更广的覆盖面积，并向周围流场注入更大的涡量。由于其结构简单，扫掠射流控制无需后期维护且鲁棒性高。另外，其具有尺寸可扩展性、良好的能量效率以及高频率及动量带宽等优势，使之适用于广泛的流动控制场景。扫掠射流不仅控制参数灵活可变，且具有内部结构简单、控制鲁棒性高、空间覆盖范围广等特点，能有效克服现有尾涡流动控制方法的局限性。基于运输机尾通用模型，已发现扫掠射通过间歇干涉机制可以高效削弱尾涡强度，并且通过小尺度射流发生器灵活配置，可以实现模型的净减阻效果。

然而，扫掠射流具有突出的高频率扫掠非稳态特性，一般的PIV（粒子图像测速）设备由于捕捉频率远低于射流扫掠频率，使之对扫掠射流流动控制的非定常特性流场可视化研究存在困难。因此，亟待探寻新方法搭建低频PIV测试设备与高频扫掠射流之间的桥梁，探索使用低频PIV测试高频扫掠射流瞬时特性的方法。

发明内容

本发明的目的是：针对上述背景技术中存在的不足，提供一种使用低频PIV测试高频扫掠射流瞬时特性的方案，能够测试扫掠射流和车身后部涡流在作用周期中的非定常相互作用过程，并能够揭示扫掠射流在向下游传播时所产生的三维流场结构的空间演变过程等。

为了达到上述目的，本发明提供了一种使用低频PIV测试高频扫掠射流瞬时特性的方法，以流体振荡器内部流动作为扫掠射流的相位参考，监测扫掠射流的振荡频率，每个振荡周期的Φ=0°预设相位为0点时刻，每个振荡周期的其它预设相位为0点时刻和预设相位之间增加预设时间延迟来触发信号，对触发信号计数，在预设数量的触发信号脉冲经过计数器时刻输出触发，激发PIV系统进行流场测量，PIV测量在激励周期的数个预设相位进行。

进一步地，所述流体振荡器内的扫掠射流的振荡频率通过反馈通道压力差值变化进行监测获得。

进一步地，预设相位与0点时刻的预设时间延迟=预设相位角度/360×扫掠射流振荡周期。

进一步地，计数器的最低预设数量为扫掠射流频率/PIV系统最低频率的倍数向上取整。

进一步地，压力差值的监测通过高频采样，达到扫掠射流振荡周期百分之一的小采样读取间隔。

本发明还提供了一种使用低频PIV测试高频扫掠射流瞬时特性的装置，采用如前所述的一种使用低频PIV测试高频扫掠射流瞬时特性的方法，包括：

流体振荡器，所述流体振荡器用于产生高频扫掠射流，所述流体振荡器两侧的反馈通道根据射流振荡产生不同流动压力；

压力传感器，所述压力传感器用于捕捉高频扫掠射流产生过程中的流体振荡器内部反馈通道的压力差时域信息；

高频数据采集模块，所述高频数据采集模块用于高频率读取所述压力传感器的数据，并进行穿越0点，增加相位时间延迟，触发计数器，输出真实触发信号；

PIV激光器模块，所述PIV激光器模块用于产生片状光源，所述PIV激光器模块包括激光器以及激光片，所述激光器的频率小于所述流体振荡器；

PIV相机，所述PIV相机用于获取PIV图像，所述PIV相机的频率远小于所述流体振荡器；

PIV系统同步器，所述PIV相机、所述PIV激光器模块均与所述PIV系统同步器连接，所述PIV系统同步器用于接收高频数据采集模块输出的真实触发信号，并使所述PIV相机与所述PIV激光器模块同时刻激发，以在不同预设相位时刻获取扫掠射流输出流场的PIV图像。

进一步地，所述流体振荡器的两个反馈通道内均开设有压力接口，两个所述压力接口分别通过压力管路与压力传感器的两个端口连接，所述压力传感器与高频数据采集模块连接。

进一步地，该装置设置在风洞中，所述风洞用于产生自由流。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明提供的使用低频PIV测试高频扫掠射流瞬时特性的方案，通过监测流体振荡器内的振荡频率，在预设数量的触发脉冲经过后触发PIV测量，且PIV测量在激励周期的数个预设相位进行，对应相位进行的 PIV 测量为0点时刻和预设相位之间增加预设时间延迟触发，从而能够通过低频PIV测试高频扫掠射流瞬时特性，顺利测试扫掠射流输出特征的周期变化特性，并能够揭示扫掠射流在向下游传播时所产生的三维流场结构的空间演变过程，为后续扫掠射流的设计等提供参考指导。

本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1为本发明的方法及装置关联示意图；

图2为本发明的模型测试整体示意图；

图3为本发明的圆柱体模型结构示意图，其中（a）为三维视图；（b）为侧视图；

图4为本发明的流体振荡器示意图；

图5为本发明的流体振荡器压力检测及扫掠射流流向检测示意图；

图6为本发明的PIV图像获取横截面位置示意图；

图7为本发明的瞬态流场结构示意图，其中（a）对应0°相位，（b）对应45°相位，（c）对应90°相位，（d）对应135°相位，（e）对应180°相位， f）对应225°相位，（g）对应270°相位，（h）对应315°相位；

图8为本发明的瞬态扫掠射流在悬挂体尾流中的流动结构示意图，其中（a）对应0°相位，（b）对应45°相位，（c）对应90°相位，（d）对应135°相位，（e）对应180°相位，（f）对应225°相位，（g）对应270°相位，（h）对应315°相位。

【附图标记说明】

1-风洞；2-圆柱体模型；3-椭球形头部；4-圆柱体主体；5-末端板；6-支架；7-流体振荡器；8-PIV相机；9-PIV激光器模块；10-反馈通道；11-压力接口。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

如图1所示，本发明的实施例提供了一种使用低频PIV测试高频扫掠射流瞬时特性的方法，以流体振荡器7内部流动作为扫掠射流的相位参考，监测扫掠射流的振荡频率，每个振荡周期的Φ=0°相位为0点时刻，每个振荡周期的其它相位为0点时刻和预设相位之间增加预设时间延迟触发，对触发信号计数，在预设数量的触发脉冲经过计数器时刻输出触发，激发PIV系统进行流场测量，PIV测量在激励周期的数个预设相位进行。

其中，流体振荡器7内的扫掠射流的振荡频率通过反馈通道10压力差值变化进行监测获得。并且，预设相位与0点时刻的预设时间延迟=预设相位角度/360×扫掠射流振荡周期。

在本实施例中，计数器的最低预设数量为扫掠射流频率/PIV系统最低频率的倍数向上取整。例如扫掠射流频率75Hz，PIV相机8激发频率10Hz，激光器激发频率15Hz，则计数器预设数量最低应为75/10的倍数向上取整为8。压力差值的监测通过高频采样，达到扫掠射流振荡周期百分之一的小采样读取间隔。

本实施例进一步提供了流体振荡器7安装在列车模型后，在风洞1中进行测试的案例，如图2所示，风洞1测试段尺寸优选为0.9m×0.9m×5m。同时如图3所示，测试模型是一个圆柱体模型2，包括一个长短轴比为2:1的椭球形头部3、一个圆柱体主体4和一个30°倾斜的末端板5，其规范特征代表了典型高速列车的特点。该模型的直径为200mm，导致风洞1中的实体阻塞约为3.8%。该模型的椭球形头部3可采用聚乳酸3D打印的，圆柱体主体4由5mm厚的铝管制成。该模型的倾斜末端板5是由3mm厚的铝板通过CNC加工而成，其边缘与圆柱体主体4末端的边缘齐平。

圆柱体模型2通过两个支架6安装在风洞1的测试段的天花板上，可采用倒置的方式，支架6被翼型截面覆盖。测试在自由流速度U∞=6.5 m/s下进行，使得以模型直径为基础的雷诺数为87000。在相应的测试条件下，自由流中的湍流强度小于2%。

扫掠射流通过流体振荡器7产生。其中，流体振荡器7的喉部尺寸优选为8mm×8mm，该流体振荡器7结构本身为现有技术，原理不再赘述。流体振荡器7安装在圆柱体模型2中，其方向与自由流平行，其出口平面与倾斜的末端板5表面齐平，如图4所示，因此，扫掠射流形成与末端板5成30°的倾斜角。需要说明的是，扫掠射流位于x/c=0.12处，x/c表示末端板5表面（或x坐标）由前往后的0.12分界处。

立体PIV测量通过PIV相机8完成，本实施例中相对设置两个PIV相机8，激光器以及激光片组成PIV激光器模块9，其所产生的片状光源厚度为2mm左右，并与自由流速度相切地照射流场。其中，两个PIV相机8以及PIV激光器模块9均与PIV系统同步器连接，PIV系统同步器用于接收高频数据采集模块（FPGA模块）输出的真实触发信号，并使PIV相机8与PIV激光器模块9同时刻激发，以在不同预设相位时刻获取扫掠射流输出流场的PIV图像。

其中，PIV激光器模块9的最大重复频率为15Hz，远低于扫掠射流的振荡频率。为了实现相位锁定测量，采用前述方法通过流体振荡器7的两个反馈通道10之间的压力差触发PIV 数据采样，以减少相位确定中的信号噪声。

具体如图4所示，本实施例中在流体振荡器7的入口附近、反馈通道10内开设有直径为 0.8mm 的压力接口11，并通过压力管路将压力信号馈入压力传感器的两个端口。压力管路的长度尽可能短（约为15mm），以最小化流体振荡器7的激活和数据采样之间的可能时间滞后。

压力数据是采用能够达到最高10kHz采样率的高频数据采集模块（FPGA模块）获取的。高频数据采集模块捕捉了压力差值信号上升穿越0点时刻（tc），随后用于确定每个振荡周期的Φ=0°相位。在其它相位时进行的 PIV 测量则是通过在穿越0点时刻和预设相位之间添加一定时间延迟来触发的。为了实现这一点，需要对扫掠射流振荡周期的平均值（T）进行预先测量。对于类似结构的流体振荡器7，其振荡频率通常具有小于5%的标准偏差，加上确定零交叉的不确定性，使用常数赔率组合法估算相位角度的总不确定度小于5.6%，能够保证预先测量的合理性。

由高频数据采集模块生成的触发信号是带有1ms长度的TTL脉冲，这些信号传输以触发PIV激光器模块9和PIV相机8。因此，为了实现远低于振荡频率的相位锁定测量，设置了高频数据采集模块中的计数器，保证PIV测量在激励周期的数个预设相位进行。一旦获取，PIV图像将通过系统进行去畸变处理。在后处理中使用了多通道互相关算法，最终的插值窗口大小为32×32像素，可以得到0.8毫米的平面向量分辨率。

图5展示了风洞1下自由流环境中获取用于确定每个振荡周期的Ф=0°相位的流体振荡器7内部的参考压力信号，该信号呈现出类似正弦波的变化，并具有良好的循环可重复性，表明了流体振荡器7的稳定性能。同时图5展示了在x/c=0.15处（该位置靠近流体振荡器7出口的下游），在C

可以理解的是，为了降低PIV数据处理时间，相位锁定测量仅在半激励周期的少量个典型相位进行，本实施例中以五个相位（即Ф=0°，45°，90°，135°和180°）为例。其中，每个振荡周期的Φ=0°相位是在捕捉了压力差信号上升穿越0点时刻确定的，而其它相位进行的PIV 测量则是通过在穿越0点时刻和预设相位之间添加预设时间延迟来触发的。

同时如图6所示，为了在空间和时间分辨率需求之间进行平衡，本方法采用了两种不同的 PIV 测量平面布局，第一种布局用于实现良好的空间分辨率重建随时间沿着末端板5传播的三维瞬态流动结构；第二中布局用于在一些选定的横流平面上，以良好的时间分辨率检查扫掠射流与尾流涡的非定常交互过程。

第一种布局中，在x/c=0.15至1.0之间均匀设置97个不同横截面，在每个横截面进行立体 PIV 测量，每个横截面上捕获100对图像并在每个预设相位进行平均，以实现重建三维瞬态流动结构；

第二种布局中，以x/c=0.15和x/c=0.2至1.0之间0.1c的间隔共放置了11个横截面，在半激励周期的每隔30°相位捕获 PIV 图像，使用了300对 PIV 图像来获得相位平均结果。

图7展示了采用本方法获取的一个流动结构的三维示意图，展示了C

在图7中可以清楚地观察到扫掠射流的扫掠运动。在x/c＜0.3的位置，气流的扫掠运动可以被清楚地观察到。在Ф=0°时，可以看到气流从孔口的左侧出口喷出（参见图7（a））。在Ф=45°时，气流进一步向左偏转（参见图7（b））。在Ф=90°时，气流开始向另一侧翻转。它继续向右偏转，直到在Ф=225°左右到达最右侧位置。在Ф=270°时，气流开始向左翻转，在Ф=315°时继续向左偏转，然后在Ф=0°和Ф=45°时向左偏转，并增强其强度。

该流体振荡器7能够产生最大偏转角为45°的扫掠射流，并且预计在扫掠过程中射流将在某个流向位置与车身后部涡流涡旋相交。在图7中，可以看到气流首次与左侧车身后部涡流涡旋相撞，其时间为Ф=45°到90°，后续在Ф=225°到270°时与右侧车身后部涡流涡旋相撞。这发生在x/c=0.3到0.4之间的流向位置。车身后部涡流的存在限制了扫掠射流的横向扩散和随后的发展，因此，扫掠射流的发展在由车身后部涡流涡旋形成的通道内进行。

在每个激励周期中，斜向流动的特征在车身后部涡流对之间空间重复出现，这些特征是由扫掠射流从一侧扫向另一侧时产生的高速区域，被横向流带着沿下游方向运动。更准确地说，向右扫的射流的尾部会被一个倾斜的高速区域拖带，该区域的另一端位于更下游并接触左侧车身后部涡流，向左扫的射流则相反。在图7（c）中，可以看到当射流向右扫时，一个倾斜的高速区域跟随着喷口尖端，这个特征在图7（e）中随着射流到达最右侧位置时变长。在Ф=225°至270°之间，当射流开始扫过车身后部涡流并向左扫时，这个倾斜特征与射流分离，形成一个新的具有不同方向的倾斜特征。这样，在每个激励周期内，左倾斜和右倾斜的流动特征（相对于末端板5中心线）都会形成。它们首尾相接，随着末端板5上的横向流沿着下游方向传播，导致在图7中观察到的锯齿形高速流动结构。整个末端板5上至少可以观察到两对这样的结构。在任何时刻，每侧这些结构与车身后部涡流之间存在三个交互点。

从图7可以看出，扫掠射流以及它产生的流动结构都与末端板5每侧的车身后部涡流相互作用，导致车身后部涡流的明显变形。在出口的近场（x/c≤0.3），交互主要是由扫掠射流本身的直接冲击引起的。随着扫掠射流向车身后部涡流扫过去，左侧的车身后部涡流的大小会缩小，随着射流扫到另一侧并反转扫掠过程，它会逐渐恢复到最大尺寸。在更远的下游位置，交互则表现为左倾斜和右倾斜流动特征的连接在车身后部涡流上造成局部扭曲。

通过图7还可以看出，扫掠射流产生的流动特征保持靠近壁面的位置，而车身后部涡流在更下游的位置逐渐脱离壁面。因此，它们之间最强烈的相互作用发生在更靠近壁面的近场区域。本实施例跟随图7中标记为R的扫掠射流的运动，可以看到随着其向下游传播，它逐渐从与车身后部涡流一个平面位置移动到车身后部涡流的下方。因此，扫掠射流对车身后部涡流的影响在下游变得更弱。

图8显示了Q=0.001的等值面，显示了相应于图7中所呈现的相位的一个扫掠射流振荡周期内的流场。可以看到，扫掠射流具有与其移动方向相同的涡性符号。在图8中观察到的倾斜的流动结构实际上是由扫掠射流产生的具有相同涡性符号的涡旋结构。因此，具有相反涡性符号的特征被以交替的方式空间排列。

倾斜流动结构之间的规则间距归因于扫掠射流的周期振荡和这些结构的恒定传播速度。从扫掠射流的振荡频率和从图8中涡量等值线估计的间距可以估算出这些结构的传播速度为7.8 m/s，斯特劳哈尔数为0.092。由于在给定位置上的射流-涡旋相互作用的间歇性特性，尾部涡旋有时间恢复被抑制的状态。因此，更高的扫掠射流振荡频率预计会对车身后部涡流产生更持久的影响。

总之，通过上述对本实施例方法及装置的进一步配置、测试可以看出，本方案能够对扫掠射流流动控制的非定常特性流场可视化测试，通过监测流体振荡器7内的振荡频率，在预设数量的触发脉冲经过后触发PIV测量，且PIV测量在激励周期的数个预设相位进行，对应相位进行的 PIV 测量为0点时刻和预设相位之间增加预设时间延迟触发，从而能够通过低频PIV测试高频扫掠射流瞬时特性，顺利测试扫掠射流输出特征的周期变化特性，并能够揭示扫掠射流在向下游传播时所产生的三维流场结构的空间演变过程，为后续扫掠射流的设计等提供参考指导。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。