動態(tài)空化繞流水洞實驗測試系統(tǒng)設(shè)計

摘? ?要： 多數(shù)空化水洞實驗測試系統(tǒng)成本高昂、實用性不強、智能化程度低，無法較好滿足動態(tài)空化繞流實驗需求。設(shè)計并搭建一套基于小型空化水洞的動態(tài)空化繞流實驗測試系統(tǒng)。根據(jù)實驗對空化水洞對布局、可控性、安裝便捷性的需求，選用可靠的數(shù)據(jù)采集、通信、處理模塊，明確上位機、下位機設(shè)計方案，并創(chuàng)新性地引入空化可見光成像分析系統(tǒng)，實現(xiàn)空化繞流場可視化。系統(tǒng)測試表明：該系統(tǒng)能夠通過來流速度、來流角度、壓力和空化數(shù)等參數(shù)反映空化繞流場實際狀態(tài)，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，整體延遲低于0.2 s。

關(guān)鍵詞： 小型空化水洞;空化水洞實驗;空化繞流場;可視化;空化數(shù)

中圖分類號：TH82? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 06-108-04

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.019

引言

空化繞流場在水中運動體、流量測量設(shè)備、流體機械周圍非常常見。對空化繞流場進行研究，對水中運動減阻、設(shè)備測量精確性提升、機械能量轉(zhuǎn)換等具有指導(dǎo)意義。在空化繞流場研究中，實驗設(shè)計是不可或缺的環(huán)節(jié)，而空化水洞又是最為常見的實驗設(shè)備。

近年來，針對空化水洞實驗的控制、測試、測量系統(tǒng)開發(fā)正朝著更為細致和精確的方向發(fā)展。李淼等[1]從空化水洞實驗的實際需求出發(fā)，搭建了人工通氣流量控制系統(tǒng)。王暢暢等[2]通過空化水洞實驗系統(tǒng)設(shè)計，研究了翼型的附著空化機理。目前，使用基于PIV技術(shù)的大型數(shù)據(jù)采集平臺進行空化水洞的流場分析已較為普遍[3]，但成本較高，而低湍流度水洞和激光誘導(dǎo)流場顯示分析技術(shù)又難以應(yīng)用在空化繞流實驗中[4-5]。

相較于以上實驗設(shè)備，小型空化水洞是一種實驗成本低、環(huán)保節(jié)能的水洞設(shè)備，對于處在初步研發(fā)階段的小型模擬樣機的空化繞流初試實驗具有重要作用。本文在對空化繞流實驗要求、實驗條件進行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計實驗測試系統(tǒng)的在線實時測量方案，并開展動態(tài)測量實驗，實現(xiàn)空化繞流場的低成本、智能化實驗?zāi)M。

1? 實驗要求及條件分析

1.1? 空化水洞實驗結(jié)構(gòu)和布局

進行動態(tài)空化繞流實驗對空化水洞有如下基本要求：

（1）盡可能緊湊布局，試驗段尺寸應(yīng)為試驗樣機特征尺寸的十倍以上，以避免筒壁效應(yīng);

（2）需具備一定的可控性和空化特征分析能力;

（3）試驗段的尾部支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)便于實驗樣機拆裝，同時方便數(shù)據(jù)線引出。

1.2? 動態(tài)空化繞流實驗條件

為了對動態(tài)繞流場進行測試，基于小型空化水洞設(shè)計空化繞流場實驗測試系統(tǒng)，模擬流速范圍為0.5～12 m/s。實驗測試系統(tǒng)需要能夠測量水洞流場參數(shù)，并獲取流場環(huán)境參數(shù)。實驗測試系統(tǒng)中包括基于壓差測量的水洞流速測量系統(tǒng)，得到水洞工作段的即時水流速度;還包括水洞壓力控制系統(tǒng)，控制水洞的壓力，調(diào)節(jié)水洞空化數(shù)。

2? 在線實時測量方案

設(shè)計基于PC上位機與MCU下位機的實驗測試系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。以下分別闡述下位機設(shè)計、上位機設(shè)計及動態(tài)空化圖像處理技術(shù)。

2.1? 下位機設(shè)計

下位機包括ADC數(shù)據(jù)采集和RS485串口通信兩部分構(gòu)成。控制核心基于C8051F410單片機，其集成了跟蹤保持電路、可編程窗口檢測器和硬件累加器，硬件累加器可實現(xiàn)1、4、8、16次采樣和累加，在硬件層面實現(xiàn)平均值濾波。下位機與上位機之間采用RS485串口通信方式，是考慮到水洞中具有一些含有較強電磁場的設(shè)備，如電動機、變頻器等，以及出于傳輸距離的考慮。信號轉(zhuǎn)換芯片選用MAX485，負責(zé)將通信信號轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘中盘枺瑢崿F(xiàn)與上位機在遠距離、強干擾下的可靠通信。

軟件程序主體流程如下：程序?qū)α魉佟毫陕纺M信號進行定時分時采集，如此循環(huán)，采集兩路信號，得到基本同步的兩組數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集方面，ADC數(shù)據(jù)采集重復(fù)16次，得到累加值，啟動方式為Timer2溢出轉(zhuǎn)換，開啟ADC0，轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷。其余數(shù)據(jù)處理等操作均在此中斷子程序中進行。

2.2? 上位機設(shè)計

測量水洞中各點流速、壓力信號，并將這些數(shù)據(jù)在PC上位機中進行處理。同時，通過反向控制變頻器，實現(xiàn)雙向的閉環(huán)控制。

基于LabVIEW的水洞測控方案設(shè)計如下：數(shù)據(jù)采集啟動后，首先配置串口和波特率，根據(jù)數(shù)據(jù)量的大小設(shè)置循環(huán)次數(shù)，讀取水洞中的傳感器數(shù)據(jù);然后，在此基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)進行實時的圖形化顯示，并判斷是否需要存儲數(shù)據(jù)，若需要，則將流速、壓力數(shù)據(jù)存儲于PC上位機;最后，進行輸入指令判斷，上位機程序發(fā)送相應(yīng)指令控制變頻器，實現(xiàn)對水洞運行的控制。

2.3? 動態(tài)空化圖像處理技術(shù)

在動態(tài)空化繞流實驗中，空化的外輪廓和特征長度的變化周期可以通過可見光成像進行分析[5]，但需要處理大量的空化圖像，并克服實驗環(huán)境下的背景干擾。在實驗過程中，通過攝錄設(shè)備可獲得連續(xù)時間間隔的大量圖像。空化可見光成像分析流程如圖2所示，其中Cs為基于SSIM（Structural Sim-ilarity Index Measurement，結(jié)構(gòu)相似法）設(shè)計的評價指標。首先進行處理軟件和空化圖像的信息交互，然后進行讀取循環(huán)，最終獲取相應(yīng)的空化圖像在時間維度上的變化信息。

3? 動態(tài)測量實驗

如引言所述，采用小型空化水洞不僅節(jié)省能源，而且在進行多種試件、重復(fù)實驗時具有成本優(yōu)勢。下面以動態(tài)測量實驗為例，對測試系統(tǒng)進行應(yīng)用。表1為利用小型空化水洞模擬不同空化繞流環(huán)境的實現(xiàn)方法。可以看出，通過表1中所列手段，小型空化水洞可以對來流速度（雷諾數(shù)）、來流角度、水深壓力和空化數(shù)進行模擬，以達到動態(tài)模擬高速空化繞流場的目的。

系統(tǒng)調(diào)試步驟如下：

（1）開啟測量電路電源;

（2）打開上位機數(shù)據(jù)采集開關(guān);

（3）啟動水洞電動機，按照變頻器設(shè)定的加速時間勻加速;

（4）加速至最大流速后，保持一段時間;

（5）按照變頻器設(shè)定的減速時間勻減速。

圖3所示為測試系統(tǒng)調(diào)試上位機運行結(jié)果（電源最大頻率47.5 Hz，加減速時間40 s）。由圖3可見，測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及顯示等功能均正常，所有處理在0.193 s內(nèi)完成。實時顯示的流速、壓力數(shù)據(jù)能夠基本反映上述水洞運行過程。

4? 結(jié)束語

本文從空化繞流實驗的實際需求出發(fā)，設(shè)計并搭建了基于小型空化水洞的動態(tài)空化繞流實驗測試系統(tǒng)，完成了軟硬件設(shè)計和動態(tài)測量實驗。對系統(tǒng)進行應(yīng)用測試表明，系統(tǒng)整體運行平穩(wěn)，響應(yīng)迅速（系統(tǒng)延遲低于0.2 s），為空化繞流場的研究提供了可靠的實驗平臺。

本系統(tǒng)最大的創(chuàng)新之處在于設(shè)計了空化圖像的自動處理程序，在不增加特殊流場分析設(shè)備的情況下提高了測試系統(tǒng)的智能化程度，可通過各模擬參數(shù)間接反映空化繞流場的實際狀態(tài)。

基金項目

南京工程學(xué)院博士啟動基金項目（YKJ201628）

參考文獻

[1] 李淼， 羅凱， 胡峰， 等. 水洞超空泡人工通氣控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 計算機測量與控制， 2011， 19（9）： 2151-2153.

[2] 王暢暢， 黃彪， 王國玉， 等. 附著型空穴斷裂及脫落機制的實驗研究[J]. 工程力學(xué)， 2017， 34（10）： 249-256.

[3] 阮馳， 孫傳東， 白永林. 水洞流場PIV顯示與分析系統(tǒng)離軸測試校正[J]. 光子學(xué)報， 2007， 36（1）： 169-173.

[4] 耿子海， 蔡晉生， 姜裕標， 等. 低湍流度水洞的水動力學(xué)設(shè)計與流場校測[J]. 水動力學(xué)研究與進展： A輯， 2019， 34（5）： 682-690.

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作者簡介：

陳勇（1989—），通信作者，男，漢族，河南人，博士，南京工程學(xué)院講師。研究方向：機械系統(tǒng)測試測量技術(shù)。

E-mail： lyhho@qq.com

（收稿日期：2020-09-11）