基于piv的機艙內(nèi)空氣流動大尺寸測量實驗裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及機艙環(huán)境參數(shù)的實驗研宄領(lǐng)域，具體涉及一種針對機艙內(nèi)復雜空氣流動的大尺寸光學實驗裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技和民航事業(yè)的發(fā)展，民用客機作為提供高速快捷的公共運輸服務的交通工具，逐漸成為大眾化的出行方式。目前全世界每年有超過20億人選擇乘坐飛機出行，并且這個數(shù)字還將不斷增加。隨著空乘旅客數(shù)量的不斷增加，由乘坐飛機所帶來的問題也將不斷攀升。很多乘客在乘坐飛機時都或多或少感覺到不舒適。同時，國際航班大大增加了傳染性疾病在國際間迅速傳播的機會。因此，如何營造一個安全、健康和舒適的機艙環(huán)境對于機組人員和乘客的生命安全、身體健康和舒適就顯得尤為重要。在影響機艙環(huán)境的多種參數(shù)中，空氣流動規(guī)律是最為關(guān)鍵的參數(shù)之一。機艙內(nèi)流場不僅影響乘客周圍的環(huán)境舒適性，還是氣載污染物和顆粒物的傳播載體。因此，研宄分析機艙內(nèi)空氣流動的特征和分布規(guī)律是解決這一關(guān)鍵問題的科學基礎。同時，設計合理高效的機艙氣流組織形式對節(jié)約客機環(huán)控系統(tǒng)的能源消耗，提升客機的市場競爭力也具有重要作用。
[0003]然而，機艙環(huán)境中的空氣流動具有低速、高脈動的復雜弱湍流流動特性。準確研宄機艙內(nèi)空氣流動規(guī)律是十分具有挑戰(zhàn)性的工作。國內(nèi)外研宄機艙內(nèi)空氣流動的方法主要包括實驗測量和數(shù)值模擬兩種手段。實驗測量被認為是可以準確獲得艙內(nèi)空氣流動信息的方法。但實驗測量往往耗時長、花費高、同時測量數(shù)據(jù)受限制較大。數(shù)值模擬主要通過計算流體力學(Computat1nal Fluid Dynamics, CFD)的方法對機艙內(nèi)空間進行仿真建模研宄。CFD模擬具有經(jīng)濟、高效、數(shù)據(jù)全面等優(yōu)勢。但CFD模擬的準確性往往受到邊界條件，湍流模式和單元體劃分等各方面因素的影響，必須要通過實驗測量的數(shù)據(jù)進行驗證。由此可見，實驗測量不僅能獲得機艙內(nèi)的空氣流動信息，同時還能和CFD模擬相輔相成，因此，實驗測量對研宄機艙內(nèi)空氣流動規(guī)律具有重要的意義。
[0004]機艙內(nèi)空氣流動的測量方法主要包括單點測量技術(shù)和全場測量技術(shù)。傳統(tǒng)單點測量技術(shù)主要包括熱線風速儀，熱球風速儀和超聲波風速儀。使用單點測量技術(shù)可以獲得單個測量點上的流動信息，用于提供CFD模擬所需的邊界條件和驗證特定位置的模擬結(jié)果。但單點測量技術(shù)往往獲得的流動信息量較少，難以對機艙內(nèi)的較大空間的整體流場進行有效描述。同時傳統(tǒng)單點測量技術(shù)為嵌入式測量，對測量區(qū)域流場有干擾，影響測量結(jié)果準確性。
[0005]全場測量技術(shù)主要是指借助光學手段對一定區(qū)域范圍內(nèi)的流場進行全場測量。其中，粒子圖像測速技術(shù)(Particle Image Velocimetry，PIV)是一種較為先進的全場測量技術(shù)。PIV技術(shù)可以獲得整個測量區(qū)域內(nèi)的瞬時流場和平均流場信息，同時是非干擾式測量，對測量區(qū)域流場沒有擾動?；赑IV技術(shù)，可以針對一些縮尺模型內(nèi)的流動就行測量，如液力減速器(CN 103048114 B)、人體上呼吸道模型(CN 102564728 B)和城市空間縮尺模型(CN 100458372C)。由此可見，目前PIV技術(shù)基本只應用于小尺寸模型內(nèi)部的流動測量。
[0006]PIV技術(shù)特點同樣適用對機艙環(huán)境中復雜湍流流動進行全場無干擾測量。然而，在機艙環(huán)境中應用PIV技術(shù)還存在很多限制和不足。其中，最主要的不足就在于PIV測量區(qū)域尺寸受到光強度的限制，相對于整個機艙的尺寸來講較小，不能獲得大尺寸的艙內(nèi)完整流動信息，無法滿足艙內(nèi)空氣流動規(guī)律分析和優(yōu)化設計的需求?，F(xiàn)有研宄尚缺乏針對機艙環(huán)境中大尺寸Piv測量的實驗裝置搭建和系統(tǒng)參數(shù)設置方法。因此，針對現(xiàn)有研宄的不足，亟需開發(fā)一種適用于機艙內(nèi)空氣流動大尺寸Piv測量的實驗裝置及方法。
【實用新型內(nèi)容】
[0007]為了克服現(xiàn)有測量技術(shù)存在的不足，本實用新型提供一種基于PIV技術(shù)的機艙內(nèi)空氣流動大尺寸測量實驗裝置，利用該裝置進行測量可獲得機艙內(nèi)完整高分辨率時均流場數(shù)據(jù)，既可用于流場渦旋結(jié)構(gòu)特征、雷諾應力分布以及相干結(jié)構(gòu)等流動規(guī)律的分析，也可以為CFD數(shù)值計算結(jié)果提供高質(zhì)量的對比驗證數(shù)據(jù)。
[0008]本實用新型提出的一種基于PIV的機艙內(nèi)空氣流動大尺寸測量實驗裝置，包括大功率雙脈沖激光器系統(tǒng)、粒子圖像拍攝系統(tǒng)、同步控制器、示蹤粒子煙霧發(fā)生器和計算機；所述大功率雙脈沖激光器系統(tǒng)放置于所測量機艙模型的外部，包括大功率雙脈沖激光器、導光臂、片光源透鏡組以及用于支撐片光源透鏡組的三維坐標架；所述大功率雙脈沖激光器用于產(chǎn)生高能量的脈沖激光光束，保證所述粒子圖像拍攝系統(tǒng)能記錄大尺寸、高亮度的示蹤粒子圖像；所述脈沖激光光束通過所述導光臂和片光源透鏡組產(chǎn)生高能量的激光片光源，所述激光片光源的張開角度為30度，在所測量子區(qū)域內(nèi)的厚度為3-5mm ;所述三維坐標架用于控制激光片光源的位置，照亮所測量子區(qū)域；所述粒子圖像拍攝系統(tǒng)放置于所測量機艙模型的內(nèi)部，用于記錄示蹤粒子圖像；所述粒子圖像拍攝系統(tǒng)包括高分辨率CCD相機和相機導軌；所述相機導軌用于對所述高分辨率CCD相機的位置進行定位，并垂直于激光片光源放置；所述高分辨率CCD相機采用雙幀拍攝方式，記錄很短跨幀時間內(nèi)，兩幀脈沖激光片光源照亮所測量子區(qū)域內(nèi)的示蹤粒子圖像，并儲存在相機存儲器中；拍攝完成后，根據(jù)測量需求傳輸?shù)剿鲇嬎銠C中；所述同步控制器調(diào)控大功率雙脈沖激光器和高分辨率CCD相機共同工作；所述示蹤粒子煙霧發(fā)生器放置于所測量機艙模型上游送風管段的內(nèi)部，通過遠程遙控向所測量機艙模型內(nèi)部發(fā)生示蹤粒子；所述示蹤粒子具有較好的空氣流動跟隨性和光學散射特性。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是:
[0010]克服傳統(tǒng)PIV測量技術(shù)存在的不足，實現(xiàn)了對機艙內(nèi)不同截面內(nèi)非定?？諝饬鲃拥拇蟪叽鐭o干擾測量，獲得準確的大尺寸時均流場數(shù)據(jù)。由于對整體截面進行了劃分，所以測量截面選擇方便靈活、范圍全面。對于每個測量子區(qū)域均采用高分辨率CCD相機進行測量，因此整體測量空間分辨率高，獲得的流場信息完整豐富。采用一個高分辨率CCD相機對每個測量子區(qū)域進行依次測量，相比采用多個相機同時測量，實驗投資明顯減少。高分辨率實驗結(jié)果適用于機艙氣流湍流特征分析，氣流組織性能優(yōu)化設計和CFD模擬驗證。
【附圖說明】
[0011]圖1是本實用新型基于PIV的機艙內(nèi)空氣流動大尺寸測量實驗裝置示意圖；
[0012]圖2是機艙截面拼接測量子區(qū)域劃分示意圖。
[0013]圖中:
[0014]1-大功率雙脈沖激光器2-導光臂3-片光源透鏡組
[0015]4-激光片光源5-三維坐標架6-高分辨率C⑶相機
[0016]7-相機導軌8-同步控制器9-示蹤粒子煙霧發(fā)生器
[0017]10-計算機11-所測量機艙模型12-測量子區(qū)域
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型技術(shù)方案作進一步詳細描述，所描述的具體實施例僅僅對本實用新型進行解釋說明，并不用以限制本實用新型。
[0019]如圖1和圖2所示，本實用新型提出的一種基于PIV的機艙內(nèi)空氣流動大尺寸測量實驗裝置，包括大功率雙脈沖激光器系統(tǒng)、粒子圖像拍攝系統(tǒng)、同步控制器8、示蹤粒子煙霧發(fā)生器9和計算機10。
[0020]所述大功率雙脈沖激光器系統(tǒng)放置于所測量機艙模型11的外部(圖示中為透明部分的側(cè)面)，所述大功率雙脈沖激光器系統(tǒng)是整個測量系統(tǒng)的光源部分。所述大功率雙脈沖激光器系統(tǒng)包括大功率雙脈沖激光器1、導光臂2、片光源透鏡組3以及用于支撐片光源透鏡組3的三維坐標架5 ;所述大功率雙脈沖激光器I用于產(chǎn)生高能量的脈沖光束，保證所述粒子圖像拍攝系統(tǒng)能記錄大尺寸、高亮度的示蹤粒子圖像；所述脈沖光束通過所述導光臂2和片光源透鏡組3產(chǎn)生高能量的激光片光源4，所述激光片光源4的張開角度為30度，所述激光片光源4在所測量子區(qū)域的厚度為3-5mm，所述激光片光源4保證具有足夠的示蹤粒子散射光強用于所述粒子圖像拍攝系統(tǒng)對于示蹤粒子圖像的記錄；所述三維坐標架5用于控制激光片光源4照亮所測流場截面(即每次測量的所測量子區(qū)域12)的位置。
[0021]所述粒子圖像拍攝系統(tǒng)放置于所測量機艙模型11的內(nèi)部，并垂直于所述激光片光源4方向，用于記錄示蹤粒子圖像；所述粒子圖像拍攝系統(tǒng)包括高分辨率CCD相機6和相機導軌7，所述相機導軌7用于對所述高分辨率CCD相機6的位置進行精確定位，并垂直于激光片光源4放置；所述高分辨率CCD相機采用雙幀拍攝方式，記錄很短跨幀時間內(nèi)，兩幀脈沖激光片光源4照亮測量區(qū)域內(nèi)的示蹤粒子圖像，并儲存在相機存儲器中；拍攝完成后，根據(jù)測量需求傳輸?shù)剿鲇嬎銠C10中。
[0022]所述同步控制器8分別與大功率雙脈沖激光器1、高分辨率CXD相機6和計算機10連接，所述同步控制器8控制大功率雙脈沖激光器和高分辨率CCD相機之間的時序運行關(guān)系，保證二者同步工作。
[0023]所述示蹤粒子煙霧發(fā)生器9放置于所測量機艙模型11上游送風管段的內(nèi)部，用于發(fā)生示蹤粒子，通過遠程遙控向所測量機艙模型11內(nèi)部發(fā)生示蹤粒子；所述示蹤粒子應保證良好的空氣流動跟隨性和光學散射特性。
[0024]利用上述基于PIV的機艙內(nèi)空氣流動大尺寸測量實驗裝置進行測量，主要包括:使用三維坐標架5