[发明专利]液力叶轮机械内流场三维综合测试装置

说明书

技术领域

本发明涉及流体力学实验领域的一种测试装置，更确切地说，本发明涉及一种集成平面激光诱导屏光技术(Planar laser-induces fluorescence，简称PLIF)和粒子图像测速技术(Part icle Image Velocimetry，简称PIV)的液力叶轮机械内流场三维综合测试装置。

背景技术

液力叶轮机械内流场是复杂的三维流动，如液力变矩器、液力缓速器、液力耦合器等，由于三维理论尚不成熟，不能用来对液力叶轮机械的内流场进行精确的计算和分析。目前，国内外针对液力叶轮机械性能研究主要是通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)数值仿真，对内流场进行研究。但是目前使用CFD所进行的流场分析是在诸多简化条件下进行的，所做的稳态假设仅仅反映了元件的静态学特性，数值模拟的模型还不够完备，CFD分析仍然属于正向验证性质的数值模拟，没能成熟应用到液力元件的参数优化上。因此，直接针对三维流场的试验分析具有重要的意义。

对液力叶轮机械内流场的试验分析装置主要分为两类：接触式测量和非接触式测量。进入21世纪，非接触式测量技术的发展，使液力叶轮机械的内流场试验测试得到了飞速发展。通过光学的非接触式测量叶轮机械内部流场成为主流，如激光多普勒测试仪(Laser Doppler Anemometry,简称LDA)、粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry，简称PIV)。

激光多普勒测速仪(LDA)是一种非接触式直接测量内流场某点速度的测量技术。即一束频率稳定的激光照射到运动目标上，由于多普勒效应，目标的后向散光将会产生一定的频移，通过对后向散射光多普勒频移的测量可以得到运动目标沿着光束方向的速度信息。由于激光多普勒测速仪的测量精确度以及对内流场的非侵入性测量，所以在液力叶轮机械内流场的速度测量中得到应用。但是由于LDA技术只能测量内流场单点速度，而不能得到全流场速度分布，因此不能直接对内流场全流场做流动分析，这就制约了LDA技术在内流场测试的深入应用。

粒子图像测速技术(PIV)是一种非接触式间接测量流场速度场测试技术。测试过程中，选择具有良好流动跟随性和光散射性的示踪粒子播撒于流场中，然后用激光片光源把被测流场的某一测试平面照明，通过图像采集系统(如CCD相机等)，分别记录下t1、t2时刻的流场粒子图像，经过数字图像处理，求得两次拍摄时间间隔内粒子的位移，即可算出速度场。由于PIV技术对流场无干扰，且可以获得内流场的瞬时速度场，进行全场定量测量，因此对流动的细微结构及其机理的研究具有重要意义，是测量复杂流场的一种先进的技术。但是由于两帧图像间的速度提取问题造成PIV的测量精度和计算效率仍有待提高。目前，虽然很多研究者已提出许多方法来改进速度提取算法，如拓扑图论、神经网络、遗传算法、模糊聚类等算法，但是这算法的改进都是基于数值图像算法本身，未能通过其他装置从内流场中获得更多同步信息来改进速度提取的准确性和有效性，所以对PIV技术的速度提取的准确性和高效性提高有限。

PLIF全称为平面激光诱导屏光技术(Planar Laser Induces Fluorescence，简称PLIF)，即应用特定频率的片状光源照射被测对象，被测对象发生共振跃迁成为激发态，位于激发态的被测对象发出由这种特定频率的片状光源所激发诱导的荧光信号，然后采用接受装置接受荧光信号，这种探测试验技术就称为PLIF技术。PLIF技术在燃烧诊断、浓度测量中已得到深入广泛的应用，同时它在流体力学试验测量领域也得到成功运用，可对内流场中的温度，压力做定性和定量的分析，研究应用前景十分广阔。但是直接将PLIF技术应用在液力叶轮机械内流场测试中的案例在世界上极少，因为PLIF技术得到的荧光强度只是直接与被测荧光物质浓度成函数关系，即可以测量被测物质的浓度场分布；通过两相对比也可以得到荧光强度与荧光物质温度的函数关系，即也可以测量被测物的温度场分布。液力叶轮机械内流场测量的关键就是速度、温度、压力的测量。

因此，迫切需要一种能更准确高效地测量叶轮机械内流场得到全场速度场可视化图像和内流场温度、压力信息的装置，来系统全面的分析液力叶轮机械的复杂三维内流场运动，优化叶轮叶片的设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有液力叶轮机械内流场测试装置测得到的叶轮机械内流场的全场域速度场准确性和计算效率不高以及不能同步得到叶轮机械内流场的温度、压力信息的问题，提供了一种液力叶轮机械内流场三维综合测试装置。