PIV技术在液力变矩器内部流场实验研究中的应用

　　激光器发出的光束通过一套光学组件转换为一个激光片光源,该片光源沿预先规定的方向(液力元件轴向或径向)入射到所测流场区域中,通过照相或摄像将粒子运动记录下来,从而获得一个切面上的流动图像,图1所示为PIV技术的流动显示与测量原理图。

　　采用光学杨氏条纹法或自相关法逐点处理PIV图像,获得流场二维速度分布。为了确定某一切面内粒子运动速度的大小和方向,通过脉冲盘使激光产生如图2所示激光脉冲。

　　3 实验系统组成

　　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3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,主要用于产生连续可调的激光脉冲片光源。

　　图像采集与显示部分主要包括摄像机、云台、云台控制器、视频分配器、视频分割器、彩色监视器、图像采集卡及软件等。V)CP430/CH型彩色闭路监控摄像机两部,一部用于监控实验现场环境,另一部用于监控测试流场;PIH)302型云台(Pan)Tilt)带动用于监控实验现场环境的摄像机以实现多视角监控;PIH)6002型视频分配器(Video Distributor)用于将1路视频输入信号转换成不失真的4路输出信号,本实验系统只用到其中的两路;KCQ)405型彩色方型视频分割器(Color QuaSplitter)将监视器的屏幕分割成四个方型小屏幕,以便在1台监视器上可以同时看到多路视频图像;SMC)140型彩色监视器(ColorMonitor)将摄像机摄录的图像显示出来;图像采集卡(Studio DC10 Plus Board)和与之配套的Studio DC10 Plus软件用于图像采集,即将摄像机摄录的流场图像传入计算机,以便进行图像处理与计算。

　　4 实验结果

　　在国家自然基金项目/液力变矩器现代设计理论的研究0中采用YJ380有机玻璃变矩器样机(1B1),YJ380有机玻璃变矩器的结构特点是涡轮被包在连接于泵轮的驱动轮上,涡轮一侧有两层有机玻璃,透明度受到影响。针对这一试件只能测量泵轮流动。考虑到粒子应对激光有较好的散射作用,一般使用dp=0.03~0.06mm的粒子。种类有聚苯乙烯、聚酰胺、三氧化三铁、铝、云母+氧化铁混合物等。铝粉对激光的散射效果最好,而聚酰胺的密度(Qp=1.016g/cm³)最接近工作介质(本实验中采用水作为工作介质)的密度。

　　由于市面上卖的聚酰胺粒子直径过大,不符合应选用的示踪粒子的直径要求,因此,本实验采用对激光散射效果最好且符合示踪粒子直径要求的铝粉作为示踪粒子。实验时首先将激光平面调整到要测量的变矩器位置(某个轴向或径向切面),其次调整摄像头使图象效果最佳,图象效果可以从监视器上观察。在试运转时还要调整1次摄像头,使动态效果达到最佳。此后,即可开始测试不同的轴向或径向切面,在测试时实时地利用图象采集卡和相应的软件采集流动图象数据,并存储于硬盘中图4所示,为z=10mm处的径向切面(以泵轮外环最右端面为z=0起点的流动图象)。该测试工况为空载工况,转速比i=1。图象中示踪粒子轨迹的最短线代表速度矢量的箭头,最长线代表速度矢量的大小,次短线代表速度矢量的箭尾。