液力变矩器内部流场的激光切面法初步测量

　　0 引言

　　液力变矩器以其无可比拟的优势广泛应用于工程机械及汽车上,所以其效率问题一直是各国研究人员比较关心的课题。液体在液力变矩器工作轮中的流动是黏性、不可压缩的三维不稳定的复杂流动,加上变矩器流道和叶片的复杂性,使其流动通常难以观察和准确测量。

　　激光切面法,或称粒子成像测速(PIV)技术是目前较先进的非接触式光学测量方法之一,它不仅对被测流场无干扰,而且具有高精度的时空分辨率,测试结果不需要校正。本文旨在用PIV技术对液力变矩器泵轮内流场进行初步的测量。为进一步的研究提供参考。

　　1 粒子成像测速(PIV)技术

　　PIV技术是在20世纪70年代末由固体力学散斑法发展起来的,是一种可以同时获得流场中多点测量体或粒子速度矢量的光学图像技术,是光学测量技术、计算机应用技术、图像处理技术相结合的产物。它突破了传统单点测量的限制,可无接触地测量流场中任一截面上的二维流速分布,且具有较高的测量精度。PIV技术的基本原理是在流场中散布合适的示踪粒子,用激光脉冲器发出激光束经过一系列光学元件形成可调制的激光片光源照射流场,通过成像记录系统摄取两次或多次曝光的粒子图像,借助于垂直于光平面的摄像机将粒子的运动记录下来,从而获得一个切面上的流动图像。在获得了流动图像实现了流动可视化的基础上,为确定切面上各点流速的大小,须用图像处理技术对其进行图像处理,然后进行量化处理。得所测的切面上的粒子运动速度分量为:

式中t--时间间隔,由激光脉冲周期或定义的曝光时间确定

示踪粒子在某切面上的位移

--示踪粒子在某切面上的速度

　　2 实验装置

　　实验时,由激光器发出一束激光,经过一套精密的光学系统后照在有机玻璃制成的、透明的变矩器(被测试件YJ380型液力变矩器由透明有机玻璃材料按1B1比例制成,散射出来的光被摄像头接收,经过视频分配器后,反映在监视器和计算机上,两者的画面同步。同时,控制系统可以使变矩器的输入输出转速任意、连续地发生变化。整个实验系统主要由机械部分、光学部分、图像采集与显示部分组成,如图1所示。

　　机械部分主要由250kW电机、400kW电涡流测功机、输入输出转矩转速传感器等组成,它主要用于驱动和加载及测量转矩转速,模拟液力变矩器的实际工况。

　　光学部分主要由300mW氩离子激光器、小电机、光学组件等组成,如图2所示,它可以将激光器发出的点光源最终变为片光源,经过折射镜后打在需要测试的变矩器的任意切面(径向或轴向)上。其中,脉冲盘可以将一个周期内连续的一段激光分为长度不等的几段,以便对粒子的流动轨迹、方向做出准确的判断。