基于粒子跟踪测速技术的液力偶合器内部流速测定方法

　　0 引 言

　　液力偶合器是依靠工作液体的动能进行能量传递的液力元件^[1]，其广泛应用于国民经济众多领域中，提高液力偶合器的工作效率、扩大其运行工况的范围、提高运行的安全性和可靠性，对于降低能耗和加速经济发展具有重要意义。

　　液力偶合器内部的流动是一种极其复杂的三元黏性流动，如何掌握其内部流动之间的相互影响关系及其内部流动性能的预测方法，在理论分析和试验研究上仍然存在着不少亟待解决的实际问题。理论研究上，L.Bai、H.Huitenga、褚亚旭、何延东等^[2-6]采用计算流体动力学(CFD，Computational Fluid Dynamics)数值模拟方法研究了液力偶合器内部流场分布情况。试验研究是探索液力偶合器内部流动规律的重要方法，流速作为确定流体运动的主要特性，它既是进行理论分析的出发点，也是验证理论的着眼点，同时还为工程实践提供可靠依据。随着光学技术和计算机技术的飞速发展,粒子图像测速^[7-11](PIV，Particle Image Velocimetry)作为一种新型流场测试技术在叶轮机械内部流场测试上应用越来越广泛，它集“可视化”与“定量测量”于一体，可同时无接触地测量流场中一个截面上二维速度分布，具有较高的测量精度和空间分辨率^[8]。开展液力偶合器内部液流运动速度测量试验研究，对于提高液力偶合器性能具有实际指导意义。

　　本文基于粒子跟踪测速^[12-13](PTV，particle trackingvelocimetry)技术，采用单帧三次曝光对矩形腔型液力偶合器内部流场进行了试验测试，通过图像处理提取偶合器内部流场速度，实现其内部流场可视化与定量测量。

　　1 PTV 测试技术

　　1.1 PTV 试验系统

　　液力偶合器内部流场的测量系统是LSFM150型激光切面流场测量系统(长春理工大学科技开发中心)，整个试验系统主要由液力偶合器试验台、光学部分和图像采集部分组成，见图1。

　　为了提高试验的精度和可靠性，在试验之前对透明型液力偶合器进行了彻底清洗，对液力偶合器测试试验台进行了精确搭建，对电机主轴与偶合器输入主轴进行同轴校正，保证偶合器旋转时振动最小。选择测量工况为转速比i=0、i=0.7 和i=0.97，测量平面为泵轮和涡轮对应的径向切面和轴向切面。试验中要求待测试平面与电荷耦合元件(CCD，charge-coupled device)相机成垂直关系，以减少成像偏差带来的测量误差，偶合器内相邻两叶片间形成的独立流道作为测试区域。光学部分主要由300 mW177 型风冷氩离子激光器、步进电机、脉冲盘和光学组件组成，主要用于产生连续可调的激光脉冲片光源，片光厚度约为1～2 mm。试验中选取铝粉作为示踪粒子^[14-15]投入流场进行测试。图像采集部分包括752(垂向)×582(水平)像素的CCD 摄像头，水平清晰度 480 线,视频同步器、彩色监视器、图像采集卡(Studio DC10 PlusBoard)和与之配套的Studio DC10 Plus 采集软件。