[发明专利]水洞实验用非定常空化流激振动多场同步测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种水洞实验用非定常空化流激振动多场同步测量系统，属于船舶与水下航行器工程、水利水电工程技术领域。

背景技术

空化是液体内部局部压力下降至液体饱和蒸汽压时发生的一种相变现象，空化的发生往往会导致结构表面破坏、系统效率下降以及结构的振动、噪声等一系列问题。其中，非定常空化流激振动是关系到水中兵器、水下发射、航空航天等多个国防工业领域面临的核心关键技术问题。复杂水力环境下的流固耦合效应会导致系统动力特性明显改变，并与流速、压力、湍动能、涡湍粘性等流动参数的变化紧密关联，随流态变化而异，这显著加剧了流激振动问题的研究难度。

国内外学者对水中绕流物体的空化流激振动特性及其影响因素进行了大量的实验研究工作。其中，对于空化流场形态，研究主要采用纹影法、全息显示技术和高速摄像法等；对于结构振动特性，研究主要利用加速度传感器、激光多普勒测振仪等。然而目前对空化流激振动的研究工作大多是针对单一流场结构、空穴形态的观察或单一结构场振动速度、幅度的测量，缺乏对同一时刻流场与结构场之间相互作用关系的认识，难以对非定常空化流激振动过程中的多场耦合复杂流动现象进行全面的研究。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有采用单一测量设备实验方法无法同时获取非定常空化流激振动现象中瞬态流场形态和结构场振动特性的问题，本发明公开的一种水洞实验用非定常空化流激振动多场同步测量系统。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种水洞实验用非定常空化流激振动多场同步测量系统，包括：实验段、实验模型、高速摄像机，同步触发开关，激光多普勒测振仪，数据采集仪，数据处理系统/计算机与显示器和光源。

实验段为透明的长方体结构，安装在循环式空化水洞实验平台的收缩段和扩散段之间，水流方向为由收缩段流向扩散段；实验模型包括水翼部分和支撑部分，其中水翼部分置于内，支撑部分在实验段的外部，实验模型与实验段中的水流方向相垂直，且位于所在平面的中心位置；高速摄像机置于实验模型的水翼部分一侧，用于采集实验模型所在区域的流场演变情况；光源沿高速摄像相同方向和垂直方向给实验模型提供照明；激光多普勒测振仪置于实验模型的正下方，用于采集实验模型的振动速度；同步触发开关同时与高速摄像机和激光多普勒测振仪相连；数据采集仪与激光多普勒测振仪相连接，用于采集激光多普勒测振仪的振动数据；计算机同时与数据采集仪和高速摄像机相连，收集由高速摄像机和激光多普勒测振仪测得的数据，同时基于计算机上的数据处理系统对实验数据进行处理。

同步触发开关包括开关和浪涌抑制电路。

所述同步触发开关，当它闭合时，产生单波形电压信号的控制器将产生一定的上升沿电压信号。当该电压信号高于给定阈值时，将产生特定电波信号并通过电缆传递从而触发与之相连的高速摄像机和激光多普勒测振仪。

所述高速摄像机具有图像快速记录、即时回放、图像直观清晰等特点。

所述激光多普勒测振仪是一种基于光学多普勒效应的激光动态干涉仪，其基本原理是通过发射一定频率的激光束，并对比经结构表面测点反射的激光束频率，利用多普勒效应计算结构表面测点的振动速度。

基于本发明公开的一种水洞实验用非定常空化流激振动多场同步测量系统的工作方法为：

步骤1，调节流动参数，使循环式空化水洞实验台实验段内绕实验模型产生空化流动；

步骤2，确定高速摄像机和激光多普勒测振仪的准确测量位置，设置测量参数，设置设备触发方式为上升沿触发，使高速摄像机和激光多普勒测振仪均处于等待触发状态；

步骤3，通过同步触发开关产生上升沿电压信号，同步触发高速摄像机和激光多普勒测振仪，将全流场显示测量结果和结构振动测量数据同步存储至计算机；

步骤4，基于数据处理系统对多物理场同步采集的数据进行处理与分析，包括预处理，时域分析，频域分析和时频分析，得到流场形态和结构振动速度的同步演变过程，实现了流场与结构场多物理场同步测量与数据采集分析。

有益效果

1、本发明的一种非定常空化流激振动多场同步测量系统，利用一种同步触发开关，可同步实施高速摄像机和激光多普勒测振仪的信号采集启动命令，实现非定常空化流场与结构场的定量精确同步测量。

2、本发明的一种非定常空化流激振动多场同步测量系统，可获得流场形态与结构振动速度同步演变过程中的一一对应关系，实现水动力特性与结构振动特性的同步分析，为深入研究流固耦合特性奠定基础。