[发明专利]用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置

说明书

本发明公开了一种用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置。该装置包括控制指令输入及反馈系统、气源管路及压力调节系统、粒子发生器流量调节系统和粒子发生器；控制指令输入及反馈系统向气源管路及压力调节系统、粒子发生器流量调节系统发布远程控制指令，并接收气源管路及压力调节系统、粒子发生器流量调节系统的反馈信号；气源管路及压力调节系统用于调节粒子发生器的工作压力；粒子发生器流量调节系统用于调节粒子发生器的工作流量。该装置满足了大型高速风洞示踪粒子流场跟随性、光散射特性和浓度需求；实现了PIV试验过程中远程、高效、精确的示踪粒子浓度控制和调节，提高了试验数据质量，大幅降低了试验能耗和人力成本。

技术领域

本发明属于高速风洞试验技术领域，具体涉及一种用于大型高速风洞PIV示踪粒子产生及远程流量控制的装置。

背景技术

PIV技术是利用双脉冲激光照射到被测对象(比如风洞的气流)，在被测对象中撒播示踪粒子，获得连续的2幅粒子图像，利用互相关算法得到同一个示踪粒子位移，再除以2幅粒子图像的间隔时间，最终得到该示踪粒子速度矢量，计算粒子图像中所有的示踪粒子速度矢量，就获得了速度场。由于示踪粒子跟随被测对象运动，在示踪粒子能够真实跟随被测对象的前提下，获得的示踪粒子速度矢量也就可以认为是被测对象的速度。PIV试验中，示踪粒子的跟随性、光散射特性和浓度对试验数据质量起决定性作用。

示踪粒子的跟随性和光散射特性主要取决于示踪粒子材料的密度和示踪粒子的粒径，对于相同的示踪粒子材料，示踪粒子的粒径越小，跟随性就越好，数据可信度越高，但粒径太小会导致示踪粒子亮度变差，影响原始图像的信噪比；相反，示踪粒子的粒径越大，示踪粒子亮度越高，图像信噪比越好，但跟随性会变差。在进行示踪粒子发生器设计时，必须根据实际应用需求，选择合适的示踪粒子制备方法，保证示踪粒子在跟随性和光散射性方面取得一个良好的平衡。

目前，PIV试验研究主要集中在低速风洞，相比高速风洞，低速风洞运行时间长，风速较低，示踪粒子发生和流量控制难度相对较低。高速风洞方面，主要集中在小尺寸研究性高速风洞，该类风洞试验段流量小，对示踪粒子发生量要求较低，市面上的小型商用粒子发生器即可满足粒子浓度需求；同时，由于小尺寸研究性高速风洞能耗小，调试成本低，示踪粒子浓度调节速度和准确度要求不高，因此，多采取手动方式现场调节示踪粒子浓度。

随着飞行器研制需求的不断提高，越来越多的飞行器需要在大尺寸风洞中开展试验研究，大尺寸风洞的模型外形模拟更加真实，试验雷诺数高，更有利于还原飞行器真实流动状态。因此，在大型高速风洞中开展PIV试验研究的需求也越发迫切。

在大型高速风洞中开展PIV试验，还必须考虑示踪粒子材料对洞体的污染问题。高速流场中通常使用两类示踪粒子：一种是固态微粒，一种是液态微粒。固态微粒的优点在于粒径可控性好，粒径较小，具有良好的流动跟随性，同时光散射性极佳，图像信噪比很高。此外，固态微粒的物理特性也比较稳定可靠。固态微粒的缺点在于对风洞洞体的污染比较严重，特别是跨声速风洞结构形式比较复杂，跨声速风洞试验段外面通常还有一个大尺寸的驻室，试验段与驻室气流相通，固态微粒不仅会附着在风洞内流道表面，还会通过开孔壁或者开槽壁进入驻室内部。驻室内部通常放置有大量精密测试仪器和装置，无法接受大量固态微粒的附着污染。此外，固态微粒被吸入风洞操作人员体内，也会对健康造成伤害。因此，只能考虑液态示踪粒子。