CN116242578A - 琴弦式荧光微丝的翼型空间流场显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种琴弦式荧光微丝的翼型空间流场显示装置，包括钢丝、映像样板、可更换金属模块、荧光微丝、紫外线灯和双目相机，所述的映像样板为模仿翼型表面形状的板状机构，安装在翼型模型的翼面一侧；所述的可更换金属模块贴合翼型模型表面，与所述的映像样板之间排列有若干钢丝；所述的钢丝垂直于风洞来流方向，钢丝上安装有若干荧光微丝；所述的紫外线灯安装于风洞壁上，用于激发荧光微丝的荧光；所述的双目相机用语捕捉荧光微丝的运动状态。本发明能够实现空间更大范围内的流场显示，确保钢丝在翼型模型迎角变化过程中始终与来流方向垂直，操作更为简洁。
Description
技术领域
本发明属于风洞试验技术领域，具体地，涉及一种翼型空间流场显示装置。
背景技术
荧光微丝流动显示技术因为其成本低、操作简单、对流场影响小等特点，被广泛地应用于各类风洞和外场试验中表面流态分离效应的研究。该技术是基于传统的丝线流动显示技术，用含有荧光物质的合成纤维制成的极细的荧光微丝代替传统丝线。实际使用中将荧光微丝一端固定在试验模型表面，另一端随流动摆动，用特定波长的紫外光照射荧光微丝，会使其激发出亮度很高的荧光，再用相机进行拍摄，以实现模型表面的流场显示。除了表面流态显示，空间流场显示在风洞实验中也具有重要的意义，现有的空间流动显示方法有烟线法、阴影法、纹影法、干涉法、激光片光法和粒子图像测速系统（PIV）等，这些方法能够在特定情况下实现空间流场的显示。
传统的荧光丝线方法将丝线布置在模型表面，采用单目垂直拍摄，可以得到模型表面的二维流态，但没有深度信息。对于流动中轻微的分离区，丝线表现为大角度的偏转，传统荧光丝线方法难以将附着流偏转和分离流区分，而当模型表面出现分离时，传统方法无法获得分离涡的空间影响范围和涡的发展规律，给流场判读带来困难。而传统的空间流场显示方法虽然在特定情况下能够实现空间流场的显示，但对使用条件有着严格的限制，适用性不强。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种琴弦式荧光微丝的翼型空间流场显示装置，利用荧光微丝随流动方向摆动进而显示流动方向的特点，结合双目视觉技术，能够实现操作更为简洁、适用范围更强的空间流动显示。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种琴弦式荧光微丝的翼型空间流场显示装置，包括钢丝、映像样板、可更换金属模块、荧光微丝、紫外线灯和双目相机。
所述的映像样板为模仿翼型表面形状的板状机构，安装在翼型模型的翼面一侧；所述的可更换金属模块贴合翼型模型表面，与所述的映像样板之间排列有若干钢丝；所述的钢丝垂直于风洞来流方向，钢丝上安装有若干荧光微丝；所述的紫外线灯安装于风洞壁上，用于激发荧光微丝的荧光；所述的双目相机用语捕捉荧光微丝的运动状态。
所述的映像样板面向翼型模型的一面为映像面，映像面的形状与翼型上表面完全相同，其上开有孔位用于固定钢丝的一端。
所述的可更换金属模块若干，分别贴合翼型模型不同展向位置的表面，使模型表面完整平滑。
所述钢丝的间距为1.5~3.5cm，与翼型模型表面的测压孔间隔安装。
所述的钢丝在映像样板一端采用弹性连接方式，即先将拉力弹簧固定至映像样板钢丝固定孔上，再将钢丝与弹簧自由端相连接。
所述的钢丝通过打孔栽种的方法固定在可更换金属模块上，所述的荧光微丝通过打孔栽种的方法固定在钢丝上。
所述的荧光微丝长度为20~40mm，荧光微丝间距为荧光微丝长度的1~1.5倍。
所述的荧光微丝的自由端进行滴胶处理。
本发明还包括驻室，所述的驻室为固定于风洞外壁的密闭舱室，驻室与风洞壁之间开有若干缝隙；所述的映像样板安装在驻室内的转轴上，钢丝穿过缝隙连接所述的可更换金属模块；所述的翼型模型两端分别通过转轴连接转盘，所述的转盘安装在风洞侧壁上；所述翼型模型的转轴平行于映像样板的转轴并沿流向处于相同站位，所述映像样板上的钢丝固定孔位与所述翼型模型表面的钢丝安装站位相同。
所述的双目相机安装在风洞侧壁上转盘的外侧，双目相机两个摄像头保持平行，间距为10~20cm，通过透明材质的转盘拍摄荧光微丝。
本发明的有益效果是：相较于传统荧光微丝流动显示方法中将丝线一端固定于模型表面，通过在安装在空间范围内的钢丝上布置荧光微丝阵列，实现了空间更大范围内的流场显示；通过与翼型模型上表面形状相同的映像样板的设计，使得映像样板随翼型模型同步转动，钢丝在翼型模型迎角变化过程中始终与来流方向垂直。同时，本发明利用双目视觉技术，得到丝线除二维偏转之外的深度信息，结合数字图像处理技术，实现利用荧光微丝的数字化空间流场显示。
附图说明
图1为传统荧光微丝流动显示装置示意图；
图2为本发明琴弦式荧光微丝的翼型空间流场显示技术装置的安装示意图；
图3为本发明琴弦式荧光微丝的翼型空间流场显示技术装置的结构示意图；
图4为本发明琴弦式荧光微丝的翼型空间流场显示技术装置的图像采集部分安装示意图；
其中，1-转盘，2-风洞壁，3-翼型模型，4-可更换金属模块，5-钢丝，6-映像样板，7-驻室，8-洞壁开缝，9-荧光微丝，10-双目相机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明提供的琴弦式荧光微丝的翼型空间流场显示装置，包括：
钢丝若干，分布固定在与来流方向垂直的空间范围内，用于在上面安装荧光微丝；
一映像样板，映像样板为模仿翼型上表面形状的板状机构，定义其面向翼型模型的一面为映像面，映像面的形状与翼型上表面完全相同，其上开有孔位用于固定钢丝的一端，孔位的位置需要根据翼型模型的不同进行调整，与钢丝在模型上的安装位置对应，钢丝在模型表面的安装要求为钢丝间距在1.5cm—3.5cm之间，与模型表面的测压孔间隔安装；
一驻室，驻室为一固定于风洞外壁的密闭舱室，目的是保证风洞试验段的封闭，映像样板安装在驻室内的转轴上；
可更换金属模块若干，其形状要求为贴合翼型模型表面，用于固定钢丝的另一端，以实现试验机构在研究不同展向位置流动时的通用性；
荧光微丝若干，安装在钢丝上形成荧光微丝阵列，荧光微丝长度为20mm—40mm，荧光微丝间距为荧光微丝长度的1-1.5倍，以避免丝线之间互相干扰，用以显示流动方向；
一紫外线灯，安装于风洞上壁观察窗外，用于激发荧光微丝荧光；
一双目相机，安装在风洞侧壁上转盘的外侧，双目相机两个摄像头保持平行，间距为10cm—20cm，其位置根据丝线不同的安装位置进行调整，能够清晰的捕捉到丝线的运动状态即可。
进一步地，映像装置的转轴设与翼型模型转轴平行并沿流向处于相同站位，映像样板上的钢丝固定孔位与翼型上表面钢丝安装站位保持相同。
进一步地，钢丝在映像样板一端采用弹性连接方式，即先将拉力弹簧固定至映像样板钢丝固定孔上，再将钢丝与弹簧自由端相连接。
进一步地，映像样板轴和映像面的相对位置与翼型模型轴和上表面的相对位置相同。
进一步地，可更换的金属模块安装在翼型模型表面后使模型表面完整平滑。
进一步地，钢丝通过打孔栽种的方法固定在可更换金属模块上。
进一步地，钢丝上用激光打出一排微孔，荧光微丝通过栽种的方法固定在孔洞内。
进一步地，可更换金属模块可以固定在翼型模型不同的展向位置，映像样板可以在驻室内沿轴向固定在不同位置。
进一步地，钢丝通过风洞洞壁上的开缝通过洞壁。
进一步地，风洞转盘分为上下两部分，上面转盘采用透明材料，方便相机进行拍摄，下面转盘材料与风洞相同。
进一步地，采用数字化处理技术得到双目视觉条件下丝线的空间角度进而形成空间流场。
如图1所示为传统荧光微丝流动显示装置示意图，荧光微丝9的一端安装在翼型模型3的表面，另一端随流动摆动，可以实现翼型模型3表面附近流动的显示。
如图2所示，本发明提供了一种琴弦式荧光微丝的翼型空间流场显示技术及其装置，在一些实施例中，钢丝5一端通过栽种的方法安装在翼型模型3表面的可更换金属模块4上，钢丝的安装要求为钢丝间距在15mm—35mm之间，与模型表面的测压孔间隔安装，可更换金属模块的形状要求为贴合翼型模型表面，安装于翼型模型表面上距离侧壁200mm±50mm处，用于固定钢丝的一端，翼型模型3安装在风洞内的转盘1上，风洞外侧安装有封闭的驻室7，其目的是保证风洞试验段的封闭，映像样板6安装在驻室7内的转轴上，映像样板为模仿翼型上表面形状的板状机构，定义其面向翼型模型的一面为映像面，映像面的形状与翼型上表面完全相同，目的是使翼型模型迎角变化时钢丝始终与来流方向垂直，映像面上开有孔位用于固定钢丝的另一端，孔位的位置与钢丝在模型上的安装位置对应，钢丝5通过洞壁开缝8穿过风洞壁2。翼型模型3随转盘1转动，带动映像样板6转动，且翼型模型3和映像样板6在运动过程中角度始终相同。为保证模型迎角改变时钢丝不被拉断，映像装置的转轴设与翼型模型转轴平行并沿流向处于相同站位。同时在试验过程中，为了保证多根钢丝之间始终处于平行状态，映像样板6上的钢丝固定孔位与翼型上表面钢丝安装站位保持相同。考虑到使用的钢丝直径极小，如果法向钢丝两端均采用刚性固定，不仅张紧程度难以控制，机构在大迎角试验时，零部件加工和机构组装时的误差也会被放大，这可能导致钢丝绷断。因此在映像样板6一端采用弹性连接的方式，即先将适当尺寸的拉力弹簧固定至映像样板钢丝固定孔上，再将钢丝5与弹簧自由端相连接。
如图2所示，可更换金属模块4可以安装在翼型模型3不同的展向位置上，映像样板6也可以安装在驻室7内不同的轴向位置上，来对风洞内不同截面内的流动进行显示。映像样板6上轴与映像面的相对位置和翼型模型3轴与上表面的相对位置相同，以保证两者在运动过程中可以保持同步。
如图3所示，在模型表面和映像样板6之间沿流向张紧多根钢丝，荧光微丝9按照一定的分布规律安装在钢丝5上，当钢丝间距较大时，单根荧光微丝更长，分布也更稀疏，当钢丝间距较小时单根荧光微丝更短，分布也更密，具体要求为荧光微丝之间不互相干扰。钢丝5上用激光打出一排微孔，模仿模型表面的微丝栽种法将荧光微丝9栽种在孔洞内，形成荧光微丝阵列，该方法可以避免因为采用打结或其他丝线安装方式对流场产生的干扰，荧光微丝9仅布置在钢丝5位于风洞内的部分上。
如图4所示，双目相机10透过转盘1对丝线的运动状态进行拍摄，转盘1分为上下两部分，上面部分为透明材料，目的是使相机能够透过转盘拍摄到丝线，下面转盘材料没有特殊要求，与风洞材料保持相同。
常规的荧光丝线试验使用单目相机进行拍摄，无法获得丝线的三维坐标。故采用两部高速相机构建双目视觉系统对荧光丝线进行拍摄，双目相机两个摄像头保持平行，间距为10cm—20cm，其位置根据丝线不同的安装位置进行调整，能够清晰的捕捉到丝线的运动状态即可，来获得目标丝线的深度信息，进而得到丝线的空间姿态。
在本发明的实施例中，翼型模型3弦长为0.9m，可更换金属模块4安装在距风洞侧壁200mm位置处，钢丝5直径为0.1mm，钢丝之间间距最大为 35mm，最小为25mm，沿模型弦向共布置31根，荧光微丝9直径为0.05mm，长度为20mm，丝线之间间距为30mm，每根钢丝上安装有50根荧光微丝，钢丝最根部荧光微丝距模型表面20mm，翼型模型的迎角变化范围为-10°—20°，选取紫外线灯的波长为395nm，功率5W，面积为285mm×230mm。
另外，在本发明实施例中，荧光微丝的制备过程如下：
（1）丝线在制备前用50～60℃温水浸泡10～15分钟；
（2）使用蒸馏水制备荧光染色剂；
（3）制备荧光丝线时，保持温度在50～60℃，浸泡1～1.5h；
（4）用流动水冲洗浸泡好的丝线；
（5）将冲洗好的荧光丝线置于通风处自然晾干，避免高温或阳光直射。
在本发明的另一实施例中，为避免紫外线灯发出的紫光过强影响拍摄效果，根据荧光微丝的发光波长，选择波长为500nm~950nm（带通）的滤光片安装在相机镜头上，滤去紫光的影响。
在本发明的另一实施例中，同时采用三个可更换金属模块4，分别安装于翼型模型3展向中间位置和两侧距风洞侧壁200mm处，对应采用三组映像样板6和钢丝5，为了避免荧光微丝9的自由端的散开，还对其自由端进行了滴胶处理，要求滴胶量小于0.05ml，以防止胶水影响丝线的柔度。
Claims (10)
1.一种琴弦式荧光微丝的翼型空间流场显示装置，包括钢丝、映像样板、可更换金属模块、荧光微丝、紫外线灯和双目相机，其特征在于，所述的映像样板为模仿翼型表面形状的板状机构，安装在翼型模型的翼面一侧；所述的可更换金属模块贴合翼型模型表面，与所述的映像样板之间排列有若干钢丝；所述的钢丝垂直于风洞来流方向，钢丝上安装有若干荧光微丝；所述的紫外线灯安装于风洞壁上，用于激发荧光微丝的荧光；所述的双目相机用语捕捉荧光微丝的运动状态。
2.根据权利要求1所述的琴弦式荧光微丝的翼型空间流场显示装置，其特征在于，所述的映像样板面向翼型模型的一面为映像面，映像面的形状与翼型上表面完全相同，其上开有孔位用于固定钢丝的一端。
3.根据权利要求1所述的琴弦式荧光微丝的翼型空间流场显示装置，其特征在于，所述的可更换金属模块若干，分别贴合翼型模型不同展向位置的表面，使模型表面完整平滑。
4.根据权利要求1所述的琴弦式荧光微丝的翼型空间流场显示装置，其特征在于，所述钢丝的间距为1.5~3.5cm，与翼型模型表面的测压孔间隔安装。
5.根据权利要求1所述的琴弦式荧光微丝的翼型空间流场显示装置，其特征在于，所述的钢丝在映像样板一端采用弹性连接方式，即先将拉力弹簧固定至映像样板钢丝固定孔上，再将钢丝与弹簧自由端相连接。
6.根据权利要求1所述的琴弦式荧光微丝的翼型空间流场显示装置，其特征在于，所述的钢丝通过打孔栽种的方法固定在可更换金属模块上，所述的荧光微丝通过打孔栽种的方法固定在钢丝上。
7.根据权利要求1所述的琴弦式荧光微丝的翼型空间流场显示装置，其特征在于，所述的荧光微丝长度为20~40mm，荧光微丝间距为荧光微丝长度的1~1.5倍。
8.根据权利要求1所述的琴弦式荧光微丝的翼型空间流场显示装置，其特征在于，所述的荧光微丝的自由端进行滴胶处理。
9.根据权利要求1所述的琴弦式荧光微丝的翼型空间流场显示装置，其特征在于，还包括驻室，所述的驻室为固定于风洞外壁的密闭舱室，驻室与风洞壁之间开有若干缝隙；所述的映像样板安装在驻室内的转轴上，钢丝穿过缝隙连接所述的可更换金属模块；所述的翼型模型两端分别通过转轴连接转盘，所述的转盘安装在风洞侧壁上；所述翼型模型的转轴平行于映像样板的转轴并沿流向处于相同站位，所述映像样板上的钢丝固定孔位与所述翼型模型表面的钢丝安装站位相同。
10.根据权利要求9所述的琴弦式荧光微丝的翼型空间流场显示装置，其特征在于，所述的双目相机安装在风洞侧壁上转盘的外侧，双目相机两个摄像头保持平行，间距为10~20cm，通过透明材质的转盘拍摄荧光微丝。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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