[发明专利]低速二冲程船用柴油机气缸稳态流动测试装置与方法

权利要求书

1.低速二冲程船用柴油机气缸稳态流动测试装置，具有：风机、稳压箱、流量计、混合箱、稳压筒、扫气箱、扫气口、加长缸套、直线电机、活塞、缸套支架、排气管、排气门、支撑台架、齿轮、手柄、齿条、阀门、发动机单缸机、多缸机、叶片风速仪组件、十字支架、叶片、叶片支撑杆、轴承、激光器片光源、标定板、CCD相机、变频器、示踪粒子、PIV仪、以及霍尔传感器，其特征在于：风机(1)与稳压箱(2)输入管连接，稳压箱的输出管依次与流量计(3)、混合箱(4)、稳压筒(5)连接，流量计、混合箱、以及稳压筒之间均通过软管连接，稳压筒设有三个通路，气流可沿三个通路进入扫气箱(6)，扫气箱中的扫气口(7)与加长缸套(8)连接，直线电机(9)与活塞(10)轴连接，活塞位于加长缸套内，加长缸套通过缸套支架(13)进行固定，排气管(11)与加长缸套通过密封圈密封连接，排气管入口设有排气门(12)，带有排气门的排气管段位于加长缸套内，排气管由支撑台架(13)支撑固定，在支撑台架上部设有齿轮(14)，手柄(15)与齿轮同轴连接固定，排气管的上方设有齿条(16)，齿轮与齿条组成传动副，转动手柄齿轮带动齿条水平移动，满足排气门位于在加长缸套内不同位置的要求。

2.按照权利要求1所述的低速二冲程船用柴油机气缸稳态流动测试装置，其特征在于：所述稳压筒设有三个管路与扫气箱相通，气流可沿三个管路进入扫气箱，其中：中间一路与扫气箱直通；侧面的两个管路分别装有阀门(17-1、17-2)，通过阀门的开启与关闭可实现发动机单缸机的单侧进气、多缸机的双侧进气、以及三侧进气。

3.按照权利要求1所述的低速二冲程船用柴油机气缸稳态流动测试装置，其特征在于：所述加长缸套分为两段，叶片风速仪组件(18)设置在两段加长缸套之间，通过更换前段加长缸套(8-1)和后段加长缸套(8-2)的方式，调节叶片风速仪组件的位置，进而实现行程缸径比的调整。

4.按照权利要求1或3所述的低速二冲程船用柴油机气缸稳态流动测试装置，其特征在于：所述叶片风速仪组件的套筒(19)内径与加长缸套的内径尺寸相同。

5.一种按照权利要求1所述低速二冲程船用柴油机气缸稳态流动测试装置的测试方法，其特征在于：激光器片光源(24)入射至所述加长缸套的截面，两台CCD相机(25)置于加长缸套的两侧，两台相机镜头夹角在60°至90°之间，三维速度测试方法的具体步骤如下：

(1)将激光器片光源射出的片光固定在拍摄平面位置，将标定板放置在缸套内标定平面与拍摄平面重合的位置，获取两部CCD相机的测取的参数，对CCD相机进行内外参数及畸变系数的标定，

其中，旋转矩阵R＝[r₁₁，r₁₂，r₁₃；r₂₁，r₂₂，r₂₃；r₃₁，r₃₂，r₃₃]，平移矩阵T＝[t_x；t_y；t_z]，点的CCD相机坐标为x、y、z世界坐标为xw、yw、zw，图像坐标为Xu、Yu，实际成像的点在图像中坐标为Xd、Yd，根据世界坐标系和相机坐标系的变换可得：

则由RAC约束可得：

将式(2)移项、同除以ty整理可得：

其中，列向量的参数为未知量，

畸变的图像坐标Xd,Yd到像素坐标ud,vd的变换为：

其中，s_x为图像尺度因子，d′_x＝d_xN_cx/N_fx，d_x和d_y为摄像机在X和Y方向上的像素间距，N_cx为摄像机在X方向上的像素数，N_fx为计算机在X方向采集到的行像素数，u₀、v₀表示光学中心，也是像素坐标系原点，

标定板为双面凹凸、标定点非共面的标定板，因此z_w≠0，设标定点有N个，在像素坐标系中为u_di、vdi，在世界坐标系中为x_wi、y_wi、z_wi，i＝1,2,3,4,5，…N，设s_x＝1，由式(3)、式(4)可得：

令a₁＝s_xr₁₁/t_y，a₂＝s_xr₁₂/t_y，a₃＝s_xr₁₃/t_y，a₄＝s_xt_x/t_y，a₅＝r₂₁/t_y，a₆＝r₂₂/t_y，a₇＝r₂₃/t_y，由于旋转矩阵R为正交矩阵，可得：

同理，可得：

任选标定点中一点，计算公式为：

其中，若X_d与y、Y_d与y符号相同，则t_y符号为正，否则为负，

根据旋转矩阵R的正交性，计算r₃₁、r₃₂、r₃₃公式如下：

对于每一个特征点，不考虑畸变有：

令畸变系数k＝0，则由式(1)和式(11)可得：

其中，

y_i＝r₂₁x_wi+r₂₂y_wi+r₂₃z_wi+t_y (13)

w_i＝r₃₁x_wi+r₃₂y_wi+r₃₃z_wi+t_z (14)

通过N组成对特征点，可以求得有效焦距f和t_z的初始值，

取畸变系数k的初始值为0，求解下列方程组，进而优化搜索可得f、k、t_z和u₀、v₀的精确解，

由此，标定出CCD相机的内部参数有：有效焦距f、像素坐标系原点u₀、v₀，外部参数有：旋转矩阵R、平移矩阵T和畸变参数k，

(2)消除图像畸变，使CCD相机输出无畸变的图像实现图像的校正；物理意义上将CCD相机对准到同一个拍摄平面上，从而输出校正图像，

(3)移除标定板，拍摄完成后对CCD相机视场进行三维重构，对两个CCD相机中拍摄到的图像进行视差计算，从而获得各点位置处的世界坐标，计算出各个方向上的速度，从而获得测量平面的三维速度场，

PIV仪与叶片风速仪采用涡流转速进行对比，叶片测速通过霍尔传感器直接在转速表上显示叶片转速N_P，而PIV仪拍摄所得的涡流转速N_T需要对所测流场进行相关计算，具体如下：

其中，为速度矢量到涡流中心的距离，U_(x，y，i)是拍摄的第i幅图像的瞬时速度场在(x,y)处的速度矢量，上式为第i幅的涡流转速，平均转速如下：

至此可以得出PIV仪拍摄被测量平面所得的平均涡流转速。