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一種柱體繞流粒子圖像測速實驗裝置及測量方法

文檔序號:6250102閱讀:406來源:國知局
一種柱體繞流粒子圖像測速實驗裝置及測量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種柱體繞流粒子圖像測速實驗裝置及測量方法,包括柱體、支撐平臺、旋轉(zhuǎn)平臺、反射光學(xué)系統(tǒng);支撐平臺設(shè)在柱體上方;旋轉(zhuǎn)平臺重疊設(shè)在支撐平臺上方;反射光學(xué)系統(tǒng)設(shè)在柱體內(nèi)底部;本發(fā)明具有如下有益的技術(shù)效果:由透明空心柱體代替繞流柱體,并通過光學(xué)反射原理,使沿柱體軸線傳播的光線從柱體側(cè)壁進出水體,實現(xiàn)對可動床面明渠柱體繞流的PIV測量,有效克服了傳統(tǒng)測量手段單點、有干擾、存在測量盲區(qū)等缺陷,在已有PIV系統(tǒng)及柱體繞流實驗裝置的基礎(chǔ)上,只需增加少量硬件設(shè)施即可實現(xiàn),經(jīng)濟效益明顯、易于實現(xiàn)。
【專利說明】一種柱體繞流粒子圖像測速實驗裝置及測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種柱體繞流粒子圖像測速實驗裝置及測量方法,尤其是一種在可動床面明渠中開展柱體繞流PIV實驗所需的實驗裝置和方法,屬于水利量測【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]在可動床面明渠中垂直安放柱體結(jié)構(gòu),水流在柱體上游發(fā)生減速、分叉和邊界層分離,形成馬蹄渦系,在柱體兩側(cè)產(chǎn)生加速流,在柱體下游兩側(cè)發(fā)生邊界層分離,形成尾流渦街,當來流速度大于始沖流速時,柱體四周在馬蹄渦系、加速流及尾流渦街的共同作用下發(fā)生局部沖刷,上述現(xiàn)象是可動床面柱體繞流的主要特征。明渠可動床面柱體繞流是工程實踐中常見的流動形態(tài),如水利工程中的閘墩繞流、橋梁工程中的橋墩繞流均屬于此類流動。由于柱體周圍的局部沖刷坑會削弱結(jié)構(gòu)地基,誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)失事,因此,研宄可動床面柱體繞流特征,對于優(yōu)化涉水結(jié)構(gòu)設(shè)計、預(yù)防結(jié)構(gòu)失事具有重要工程實踐價值和理論意義。
[0003]與經(jīng)典二維圓柱繞流問題相比,明渠柱體繞流具有明顯三維特征,難以理論分析或數(shù)值求解,因此,實驗測量是研宄明渠柱體繞流的主要途徑,而聲學(xué)多普勒流速儀(ADV)是目前應(yīng)用最為廣泛的測量儀器。ADV是一種單點流速測量技術(shù),使用時需將測量探頭置于水中,探頭與測量點之間預(yù)留約5cm的測量盲區(qū)。顯然,使用ADV測量柱體繞流具有工作量大、對水流有干擾、存在測量盲區(qū)等缺陷,特別是在淺水實驗時,根本無法開展ADV測量;與此同時,使用單點測量技術(shù)也難以測得柱體周圍的馬蹄渦等三維結(jié)構(gòu)。
[0004]PIV(Particle Image Velocimetry)又稱粒子圖像測速法,是一種新穎的全場、無干擾、瞬時流速測量技術(shù),可以克服ADV單點、有干擾、存在測量盲區(qū)等缺陷,近年來已逐漸被用于明渠光滑床面柱體繞流的實驗研宄。圖1示意了一種利用PIV開展明渠光滑床面柱體繞流實驗的方法,實驗水槽由玻璃底板(11)和玻璃側(cè)壁(12)組成,底板上垂直安放繞流柱體(21),為了利用PIV測量柱體周圍的流場,將激光系統(tǒng)(41)發(fā)出的激光片光(43)經(jīng)玻璃底板(11)導(dǎo)入水體,照亮測量垂面(31)內(nèi)的示蹤粒子;粒子散射的成像光線(44)透過玻璃側(cè)壁(12)到達相機(42)的感光面,相機(42)連續(xù)拍攝粒子圖片,即可通過PIV計算獲得測量垂面(31)內(nèi)的流場。顯然,利用PIV進行流場測量時,實驗系統(tǒng)必須具有兩個相互垂直或大角度相交的透光窗口,一個供激光片光(43)進入待測水體,另一個供測量垂面(31)發(fā)出的成像光線(44)進入相機。對于圖1所示的水槽系統(tǒng),除玻璃底板(11)和玻璃側(cè)壁
(12)外,水面也滿足透光要求,但由于運動水體的表面存在波動,光線經(jīng)過水面時容易因折射而發(fā)生偏折,導(dǎo)致測量面不平整或粒子圖片發(fā)生不規(guī)則變形,嚴重影響PIV測量精度,因而不適合作為透光窗口。
[0005]綜上所述,當水槽底板鋪沙以開展可動床面柱體繞流實驗時,水槽系統(tǒng)將只有側(cè)壁一個透光窗口 ;同時,當柱體四周形成沖刷坑后,由于坑內(nèi)床面低于坑外床面,使得坑內(nèi)測量面的成像光線無法通過水槽側(cè)壁進入相機,這些因素制約了 PIV在明渠可動床面柱體繞流實驗中的應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決可動床面時明渠水槽僅有側(cè)壁一個透光窗口和沖刷坑內(nèi)的成像光線無法通過玻璃側(cè)壁進入相機的問題,本發(fā)明提供一種柱體繞流粒子圖像測速實驗裝置及方法;本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種柱體繞流粒子圖像測速實驗裝置,包括柱體、支撐平臺、旋轉(zhuǎn)平臺、反射光學(xué)系統(tǒng);所述支撐平臺設(shè)在所述柱體上方;所述旋轉(zhuǎn)平臺重疊設(shè)在所述支撐平臺上方;所述反射光學(xué)系統(tǒng)設(shè)在所述柱體內(nèi)底部。
[0007]進一步地,所述柱體為透明空心結(jié)構(gòu)。
[0008]進一步地,所述支撐平臺中部設(shè)有圓孔;所述支撐平臺通過支架與水槽或試驗平臺連接。
[0009]進一步地,所述旋轉(zhuǎn)平臺為圓環(huán)結(jié)構(gòu),所述圓環(huán)的中心與所述支撐平臺的圓孔的中心豎直對齊。
[0010]進一步地,所述反射光學(xué)系統(tǒng)包括反射鏡、反射鏡架和伸縮桿;所述反射鏡設(shè)在所述反射鏡架的傾斜面;所述伸縮桿的第一端連接所述反射鏡架的背面;所述伸縮桿的第二端連接所述支撐平臺的底部。
[0011]進一步地,所述實驗裝置還包括導(dǎo)光系統(tǒng),所述導(dǎo)光系統(tǒng)設(shè)在所述柱體的一側(cè);所述導(dǎo)光系統(tǒng)包括第一水平滑桿、第二水平滑桿、第一豎直伸縮桿、第二豎直伸縮桿、第一環(huán)形導(dǎo)軌、第二環(huán)形導(dǎo)軌和透光片;所述第一水平滑桿的第一端和所述第二水平滑桿的第一端與所述旋轉(zhuǎn)平臺水平連接;所述第一豎直伸縮桿的第一端與所述第一水平滑桿的第二端垂直連接,所述第二豎直伸縮桿的第一端與所述第二水平滑桿的第二端垂直連接;所述第一豎直伸縮桿的第二端與所述第一環(huán)形導(dǎo)軌的第一端連接,所述第二豎直伸縮桿的第二端與所述第二環(huán)形導(dǎo)軌的第一端連接;所述第一環(huán)形導(dǎo)軌的第二端與所述透光片的第一端連接,所述第二環(huán)形導(dǎo)軌的第二端與所述透光片的第二端連接。
[0012]一種柱體繞流粒子圖像測速的測量方法,包括如下步驟,
[0013]步驟I)在鋪沙前將實驗裝置固定在水槽的底板;
[0014]步驟2)將激光系統(tǒng)豎直向下安裝在旋轉(zhuǎn)平臺上;
[0015]步驟3)將相機水平安裝在水槽的側(cè)壁外側(cè);
[0016]步驟4)當激光系統(tǒng)的激光片光沿柱體的母線方向傳播至反射光學(xué)系統(tǒng)的反射面,被反射后垂直于所述柱體的側(cè)壁進入水體照亮測量垂面,成像光線經(jīng)水槽的側(cè)壁到達所述相機的感光面時,使用所述相機連續(xù)拍攝;
[0017]步驟5)經(jīng)粒子圖像測速計算后獲得坑外測量垂面內(nèi)的流場。
[0018]一種柱體繞流粒子圖像測速的測量方法,包括如下步驟,
[0019]步驟I)在鋪沙前將所述實驗的裝置固定在水槽的底板;
[0020]步驟2)將導(dǎo)光系統(tǒng)設(shè)在柱體外側(cè)水面;
[0021]步驟3)將相機豎直向下安裝在旋轉(zhuǎn)平臺上,使鏡頭光軸與旋轉(zhuǎn)平臺的中心及反射光學(xué)系統(tǒng)的反射面中心豎直對齊;
[0022]步驟4)調(diào)整導(dǎo)光系統(tǒng),使透光片半潛入水面;
[0023]步驟5)將激光系統(tǒng)豎直向下安裝在水面上方,使激光片光經(jīng)透光片豎直向下進入水體,照亮沖刷坑內(nèi)的測量垂面;
[0024]步驟6)當測量垂面散射的成像光線通過柱體的側(cè)壁到達反射光學(xué)系統(tǒng)的反射面,散射的成像光被反射后沿柱體母線方向進入相機感光面時,相機連續(xù)拍攝圖片;
[0025]步驟7)經(jīng)粒子圖像測速計算后獲得沖刷坑內(nèi)測量垂面的二維流場。
[0026]一種柱體繞流粒子圖像測速的測量方法,包含如下步驟,
[0027]步驟I)將透光片豎直中軸所在的垂線定義為測線;
[0028]步驟2)在每個測線處,分別將透光片置于環(huán)狀導(dǎo)軌上兩個不同位置,使測線先后被兩個不同的測量垂面覆蓋;
[0029]步驟3)分別測得每個測量垂面的二維平均流場,然后提取出每個垂面內(nèi)測線上的二維平均流速分布,按立體投影原理重構(gòu)出三維平均流速分布;
[0030]步驟4)轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)平臺和調(diào)整豎直伸縮桿在水平滑桿上的位置改變測線;
[0031]步驟5)重復(fù)上述步驟,得到柱體周圍沖刷坑內(nèi)的三維時均流場。
[0032]本發(fā)明具有如下有益的技術(shù)效果:
[0033](I)本發(fā)明充分利用了明渠柱體繞流實驗中,柱體與水流接觸面不隨時間變形,以及接觸面底邊為沖刷最深處的特點,將繞流柱體由透明空心柱體代替,并通過光學(xué)反射原理,使沿柱體軸線傳播的光線從柱體側(cè)壁進出水體,實現(xiàn)對可動床面明渠柱體繞流的PIV測量,有效克服了傳統(tǒng)測量手段單點、有干擾、存在測量盲區(qū)等缺陷。
[0034](2)本發(fā)明將PIV系統(tǒng)的相機、激光系統(tǒng)、反射光學(xué)系統(tǒng)和導(dǎo)光系統(tǒng)同時固定在旋轉(zhuǎn)平臺上,當通過轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)平臺改變測量位置時,由于設(shè)備之間的相對位置不發(fā)生改變,無需對光路系統(tǒng)進行調(diào)整,在對沖刷坑進行測量時,也無需反復(fù)進行圖像的變形校正和標定。
[0035](3)在柱體周圍的沖刷坑內(nèi),本發(fā)明借鑒了雙目立體投影的基本原理,利用二維PIV系統(tǒng)實現(xiàn)了對三維時均流場的測量。
[0036](4)本發(fā)明在已有PIV系統(tǒng)及柱體繞流實驗裝置的基礎(chǔ)上,只需增加少量硬件設(shè)施即可實現(xiàn),經(jīng)濟效益明顯、易于實現(xiàn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]圖1是一種開展明渠光滑床面柱體繞流PIV實驗的方法示意圖;
[0038]圖2是本發(fā)明柱體繞流粒子圖像測速實驗裝置示意圖;
[0039]圖3是本發(fā)明的利用柱體繞流粒子圖像測速實驗裝置測量沖刷坑外流場的方法示意圖;
[0040]圖4是本發(fā)明的利用柱體繞流粒子圖像測速實驗裝置測量沖刷坑內(nèi)流場的方法示意圖。

【具體實施方式】
[0041]當結(jié)合附圖考慮時,通過參照下面的詳細描述,能夠更完整更好地理解本發(fā)明以及容易得知其中許多伴隨的優(yōu)點,但此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解,構(gòu)成本發(fā)明的一部分。
[0042]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂,結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0043]實施例:如圖2所示,本實施例提供一種柱體繞流粒子圖像測速實驗裝置,包括柱體21、支撐平臺22、旋轉(zhuǎn)平臺23、反射光學(xué)系統(tǒng)24 ;支撐平臺22設(shè)在柱體21上方;旋轉(zhuǎn)平臺23重疊設(shè)在支撐平臺22上方;反射光學(xué)系統(tǒng)24設(shè)在柱體21內(nèi)底部。
[0044]在優(yōu)選方案中,柱體21由均質(zhì)透明材料加工而成,外輪廓形狀、尺寸及安裝位置與繞流柱體完全一致,既充當實驗繞流柱體,又是激光片光或成像光線進出水體的窗口。柱體21為內(nèi)徑5cm、外徑5.5cm的有機玻璃圓管。
[0045]在優(yōu)選方案中,支撐平臺22中部設(shè)有圓孔,支撐平臺22通過支架26固定在水槽上;支撐平臺22是由5mm厚鋼板加工而成的圓環(huán),圓環(huán)內(nèi)徑6cm,外徑7cm,沿半徑方向切扇形缺口,上表面同心粘貼直徑6.5cm的角度刻度盤。
[0046]在優(yōu)選方案中,旋轉(zhuǎn)平臺23為圓環(huán)結(jié)構(gòu),圓環(huán)的中心與支撐平臺22的圓孔的中心豎直對齊;旋轉(zhuǎn)平臺23是不銹鋼圓盤法蘭,頸部高0.5cm、外徑6cm、內(nèi)徑5cm,盤面外徑
6.5cm、厚0.8cm,頸部豎直向下與固定平臺22的中孔嵌套安裝。法蘭圓盤側(cè)壁上以直徑為對稱軸、間隔3cm布置平行水平螺孔兩個,用于連接導(dǎo)光系統(tǒng)25 ;法蘭頸部的下環(huán)面布置豎直向上的螺孔一個,用于連接反射光學(xué)系統(tǒng)24;當旋轉(zhuǎn)平臺23繞中軸旋轉(zhuǎn)時,可帶動光學(xué)反射系統(tǒng)24及導(dǎo)光系統(tǒng)25同步運動。
[0047]在優(yōu)選方案中,反射光學(xué)系統(tǒng)24包括反射鏡241、反射鏡架242和伸縮桿243 ;反射鏡241設(shè)在反射鏡架242的傾斜面;伸縮桿243的第一端連接反射鏡架242的背面;伸縮桿243的第二端連接旋轉(zhuǎn)平臺23的底部。反射鏡241為尺寸3cmX4cm的矩形平面反射鏡,反射鏡架242為武漢同心和光電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的45度反射鏡架,伸縮桿243由直徑5mm的普通螺桿通過長螺母拼接而成。反射鏡241粘貼在反射鏡架242的傾斜面,反射面傾斜朝上,伸縮桿243下端焊接在反射鏡架242的背面,上端與旋轉(zhuǎn)平臺23下環(huán)面的螺孔連接。當光線平行于繞流柱體的母線到達反射面時,反射光線將垂直于柱體母線穿過柱體側(cè)壁。
[0048]工作原理一:
[0049]如圖3所示,在鋪沙前將透明空心柱體21固定在水槽底板11,依次在柱體上方架設(shè)支撐平臺22和旋轉(zhuǎn)平臺23,在柱體內(nèi)部底板附近安裝反射光學(xué)系統(tǒng)24 ;激光系統(tǒng)41豎直向下安裝在旋轉(zhuǎn)平臺23上,相機42水平安裝在水槽側(cè)壁12外側(cè),調(diào)整激光系統(tǒng)41在旋轉(zhuǎn)平臺23上的位置,使激光光軸與旋轉(zhuǎn)平臺23的中心豎直對齊。實驗時,激光片光43沿透明空心柱體21的母線方向傳播至反射光學(xué)系統(tǒng)24的反射面,被反射后垂直于柱體21的側(cè)壁進入水體照亮測量垂面,其中,沖刷坑外測量垂面31的成像光線44經(jīng)水槽側(cè)壁12可到達相機感光面,相機42連續(xù)拍攝圖片,經(jīng)PIV計算后獲得坑外測量垂面31內(nèi)的流場。完成一個垂面的測量后,將旋轉(zhuǎn)平臺23轉(zhuǎn)動一定夾角,即可改變測量垂面31的位置;以圓柱繞流為例,當旋轉(zhuǎn)平臺23的中心與圓柱中軸重合時,將旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)180°,即可測得柱體上游對稱面至下游對稱面之間的繞流流場。
[0050]本實施例的技術(shù)效果為:充分利用了明渠柱體繞流實驗中,柱體與水流接觸面不隨時間變形,以及接觸面底邊為沖刷最深處的特點,將繞流柱體由透明空心柱體代替,并通過光學(xué)反射原理,使沿柱體軸線傳播的光線從柱體側(cè)壁進出水體,實現(xiàn)對可動床面明渠柱體繞流沖刷坑外流場的PIV測量,有效克服了傳統(tǒng)測量手段單點、有干擾、存在測量盲區(qū)等缺陷,在已有PIV系統(tǒng)及柱體繞流實驗裝置的基礎(chǔ)上,只需增加少量硬件設(shè)施即可實現(xiàn),經(jīng)濟效益明顯、易于實現(xiàn)。
[0051]在優(yōu)選方案中,如圖2所示,裝置還包括導(dǎo)光系統(tǒng)25,導(dǎo)光系統(tǒng)25設(shè)在柱體21的一側(cè);導(dǎo)光系統(tǒng)25包括第一水平滑桿251、第二水平滑桿255、第一豎直伸縮桿252、第二豎直伸縮桿256、第一環(huán)形導(dǎo)軌253、第二環(huán)形導(dǎo)軌257和透光片254 ;第一水平滑桿251的第一端和第二水平滑桿255的第一端與旋轉(zhuǎn)平臺23水平連接;第一豎直伸縮桿252的第一端與第一水平滑桿251的第二端垂直連接,第二豎直伸縮桿256的第一端與第二水平滑桿255的第二端垂直連接;第一豎直伸縮桿252的第二端與第一環(huán)形導(dǎo)軌253的第一端連接,第二豎直伸縮桿256的第二端與第二環(huán)形導(dǎo)軌257的第一端連接;第一環(huán)形導(dǎo)軌253的第二端與透光片254的第一端連接,第二環(huán)形導(dǎo)軌257的第二端與透光片254的第二端連接。第一水平滑桿251和第二水平滑桿255直徑均為5mm,通過桿端螺紋與旋轉(zhuǎn)平臺23側(cè)壁的螺孔連接;第一豎直伸縮桿252和第二豎直伸縮桿256均由直徑5mm螺桿和長螺母拼接而成,上端經(jīng)滑塊分別與第一水平滑桿253和第二水平滑桿255垂直連接,第一水平滑桿253和第二水平滑桿255下端分別垂直焊接在第一環(huán)形導(dǎo)軌253和第二環(huán)形導(dǎo)軌257的上表面;第一環(huán)形導(dǎo)軌253和第二環(huán)形導(dǎo)軌257為內(nèi)徑2.5cm、外徑3.5cm的鋁質(zhì)圓環(huán)弧段,環(huán)面有直徑3cm的同心圓弧軌道;透光片254為長3cm、寬0.4cm、高Icm的石英玻璃,高度方向豎直向下,兩端通過螺桿水平固定在第一環(huán)形導(dǎo)軌253和第二環(huán)形導(dǎo)軌257之間,可以繞豎直中軸往復(fù)旋轉(zhuǎn)。
[0052]工作原理二:
[0053]如圖4所示,在鋪沙前將透明空心柱體21固定在水槽底板11,依次在柱體上方架設(shè)支撐平臺22和旋轉(zhuǎn)平臺23,在柱體內(nèi)部底板附近安裝反射光學(xué)系統(tǒng)24,在柱體外側(cè)水面附近安裝導(dǎo)光系統(tǒng)25 ;將相機21豎直向下安裝在旋轉(zhuǎn)平臺23上,使鏡頭光軸與旋轉(zhuǎn)平臺23的中心及反射光學(xué)系統(tǒng)24的反射面中心豎直對齊;調(diào)整導(dǎo)光系統(tǒng)25,使透光片254半潛入水面;將激光系統(tǒng)41豎直向下安裝在水面上方,使激光片光經(jīng)透光片254豎直向下進入水體,照亮沖刷坑內(nèi)的測量垂面32。實驗時,測量垂面32散射的成像光線44通過透明空心柱體21的側(cè)壁到達反射光學(xué)系統(tǒng)24的反射面,被反射后沿柱體21母線方向進入相機感光面;相機42連續(xù)拍攝圖片,經(jīng)PIV計算后獲得沖刷坑內(nèi)測量垂面32的二維流場;轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)平臺23和調(diào)整豎直伸縮桿252在水平滑桿251上的位置,測得沖刷坑內(nèi)不同切向垂面的二維流場。
[0054]本實施例的技術(shù)效果為:(1)充分利用了明渠柱體繞流實驗中,柱體與水流接觸面不隨時間變形,以及接觸面底邊為沖刷最深處的特點,將繞流柱體由透明空心柱體代替,并通過光學(xué)反射原理,使沿柱體軸線傳播的光線從柱體側(cè)壁進出水體,實現(xiàn)對可動床面明渠柱體繞流沖刷坑內(nèi)流場的Piv測量;(2)將PIV系統(tǒng)的相機、激光系統(tǒng)、反射光學(xué)系統(tǒng)和導(dǎo)光系統(tǒng)同時固定在旋轉(zhuǎn)平臺上,當通過轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)平臺改變測量位置時,由于設(shè)備之間的相對位置不發(fā)生改變,無需對光路系統(tǒng)進行調(diào)整,也無需反復(fù)進行圖像的變形校正和標定。
[0055]在優(yōu)選方案中,在獲得沖刷坑內(nèi)測量垂面32 二維流場的基礎(chǔ)上,將透光片254豎直中軸所在的垂線定義為測線,在每個測線處,分別將透光片254置于環(huán)狀導(dǎo)軌253上兩個不同位置,使測線先后被兩個不同的測量垂面32覆蓋;分別測得每個測量垂面32的二維平均流場,然后提取出每個垂面內(nèi)測線上的二維平均流速分布,按立體投影原理重構(gòu)出三維平均流速分布;轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)平臺23和調(diào)整豎直伸縮桿252在水平滑桿251上的位置改變測線,重復(fù)上述步驟,得到柱體周圍沖刷坑內(nèi)的三維時均流場。
[0056]本實施例技術(shù)效果為:在柱體周圍的沖刷坑內(nèi),借鑒了雙目立體投影的基本原理,利用二維PIV系統(tǒng)實現(xiàn)了對三維時均流場的測量。
[0057]以上僅是本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例,所述【具體實施方式】只是用于幫助理解本發(fā)明的核心思想。應(yīng)當指出,對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員而言,在不脫離本發(fā)明原理的前提下,還可以對本發(fā)明進行若干改進和修飾,這些改進和修飾也屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種柱體繞流粒子圖像測速實驗裝置,其特征在于, 包括柱體、支撐平臺、旋轉(zhuǎn)平臺、反射光學(xué)系統(tǒng); 所述支撐平臺設(shè)在所述柱體上方; 所述旋轉(zhuǎn)平臺重疊設(shè)在所述支撐平臺上方; 所述反射光學(xué)系統(tǒng)設(shè)在所述柱體內(nèi)底部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柱體繞流粒子圖像測速實驗裝置,其特征在于, 所述柱體為透明空心結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的柱體繞流粒子圖像測速實驗裝置,其特征在于, 所述支撐平臺中部設(shè)有圓孔; 所述支撐平臺通過支架與水槽或試驗平臺連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的柱體繞流粒子圖像測速實驗裝置,其特征在于, 所述旋轉(zhuǎn)平臺為圓環(huán)結(jié)構(gòu),所述圓環(huán)的中心與所述支撐平臺的圓孔的中心豎直對齊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的柱體繞流粒子圖像測速實驗裝置,其特征在于, 所述反射光學(xué)系統(tǒng)包括反射鏡、反射鏡架和伸縮桿; 所述反射鏡設(shè)在所述反射鏡架的傾斜面; 所述伸縮桿的第一端連接所述反射鏡架的背面; 所述伸縮桿的第二端連接所述支撐平臺的底部。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任意一項中所述的柱體繞流粒子圖像測速實驗裝置,其特征在于, 所述實驗裝置還包括導(dǎo)光系統(tǒng),所述導(dǎo)光系統(tǒng)設(shè)在所述柱體的一側(cè); 所述導(dǎo)光系統(tǒng)包括第一水平滑桿、第二水平滑桿、第一豎直伸縮桿、第二豎直伸縮桿、第一環(huán)形導(dǎo)軌、第二環(huán)形導(dǎo)軌和透光片; 所述第一水平滑桿的第一端和所述第二水平滑桿的第一端與所述旋轉(zhuǎn)平臺水平連接; 所述第一豎直伸縮桿的第一端與所述第一水平滑桿的第二端垂直連接,所述第二豎直伸縮桿的第一端與所述第二水平滑桿的第二端垂直連接; 所述第一豎直伸縮桿的第二端與所述第一環(huán)形導(dǎo)軌的第一端連接,所述第二豎直伸縮桿的第二端與所述第二環(huán)形導(dǎo)軌的第一端連接; 所述第一環(huán)形導(dǎo)軌的第二端與所述透光片的第一端連接,所述第二環(huán)形導(dǎo)軌的第二端與所述透光片的第二端連接。
7.一種柱體繞流粒子圖像測速的測量方法,其特征在于包括如下步驟, 步驟I)在鋪沙前將實驗裝置固定在水槽的底板; 步驟2)將激光系統(tǒng)豎直向下安裝在旋轉(zhuǎn)平臺上; 步驟3)將相機水平安裝在水槽的側(cè)壁外側(cè); 步驟4)當激光系統(tǒng)的激光片光沿柱體的母線方向傳播至反射光學(xué)系統(tǒng)的反射面,被反射后垂直于所述柱體的側(cè)壁進入水體照亮測量垂面,成像光線經(jīng)水槽的側(cè)壁到達所述相機的感光面時,使用所述相機連續(xù)拍攝; 步驟5)經(jīng)粒子圖像測速計算后獲得坑外測量垂面內(nèi)的流場。
8.一種柱體繞流粒子圖像測速的測量方法,其特征在于包括如下步驟, 步驟I)在鋪沙前將所述實驗的裝置固定在水槽的底板; 步驟2)將導(dǎo)光系統(tǒng)設(shè)在柱體外側(cè)水面; 步驟3)將相機豎直向下安裝在旋轉(zhuǎn)平臺上,使鏡頭光軸與旋轉(zhuǎn)平臺的中心及反射光學(xué)系統(tǒng)的反射面中心豎直對齊; 步驟4)調(diào)整導(dǎo)光系統(tǒng),使透光片半潛入水面; 步驟5)將激光系統(tǒng)豎直向下安裝在水面上方,使激光片光經(jīng)透光片豎直向下進入水體,照亮沖刷坑內(nèi)的測量垂面; 步驟6)當測量垂面散射的成像光線通過柱體的側(cè)壁到達反射光學(xué)系統(tǒng)的反射面,散射的成像光被反射后沿柱體母線方向進入相機感光面時,相機連續(xù)拍攝圖片; 步驟7)經(jīng)粒子圖像測速計算后獲得沖刷坑內(nèi)測量垂面的二維流場。
9.一種柱體繞流粒子圖像測速的測量方法,其特征在于包含如下步驟, 步驟I)將透光片豎直中軸所在的垂線定義為測線; 步驟2)在每個測線處,分別將透光片置于環(huán)狀導(dǎo)軌上兩個不同位置,使測線先后被兩個不同的測量垂面覆蓋; 步驟3)分別測得每個測量垂面的二維平均流場,然后提取出每個垂面內(nèi)測線上的二維平均流速分布,按立體投影原理重構(gòu)出三維平均流速分布; 步驟4)轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)平臺和調(diào)整豎直伸縮桿在水平滑桿上的位置改變測線; 步驟5)重復(fù)上述步驟,得到柱體周圍沖刷坑內(nèi)的三維時均流場。
【文檔編號】G01M10/00GK104502057SQ201410690754
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月25日
【發(fā)明者】陳啟剛, 齊梅蘭, 王興奎 申請人:北京交通大學(xué)
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