CN103048114B - 液力减速器内流场三维piv测试***试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液力减速器内流场三维PIV测试***试验装置及方法。包括驱动电机、变速箱、气动离合器、飞轮箱、扭矩转速传感器、制动轴、可视化液力减速器、可视化试验箱、圆形导轨、同步器、双脉冲激光器、CCD相机、储水箱、水泵、压力指示器、减压器、粒子投放器、电磁流量计等；可视化试验箱采用透明材料制成，适用水介质；制动轴由外驱动***驱动，通过轴承支撑，穿过液力减速器壳体与减速器动轮连接；第一CCD相机安装在可视化试验箱顶部向下拍摄，第二CCD相机与双脉冲激光器安装在圆形导轨上并可沿导轨任意转动；圆形导轨与可视化试验箱均固定在底座上。本发明能进行液力减速器内流场三维PIV测量，结构简单紧凑、通用性强、易于控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种液力减速器内流场三维PIV测试***试验装置及方法。
背景技术
液力减速器作为一种辅助制动装置，已应用于大、中型车辆上。液力减速器主要由壳体、热交换器、定子叶轮、动子叶轮、花键轴、控制器等部件组成。该装置通过动子带动液力旋转并冲击定子，此时定子也会通过液力产生反作用力作用于动子，从而阻碍转子转动，实现无接触制动，是一种高端的缓速器产品。
液力减速器内部流场是复杂的三维流动，由于三维流动理论尚不成熟，不能用来对液力减速器的内部流场进行精确的计算和分析。目前，国内外针对液力减速器性能研究主要是通过计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）数值仿真，对内流场进行研究。但目前使用CFD所进行的流场分析是在诸多简化条件下进行的，所作的稳态假设仅仅反映了元件的静态特性，数值模拟的模型还不够完备，CFD分析仍然局限于正向验证性质的数值模拟，没能成熟应用到液力元件参数优化上。因此，直接针对三维流场的试验分析具有重要的意义，流场测试和数值模拟相辅相成，因而需要设计一套用于液力减速器内流场三维特性测试的试验装置。
发明内容
针对液力减速器及PIV测试技术的特点，为了克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种液力减速器内流场三维PIV测试***试验装置及方法。
一种液力减速器内流场三维PIV测试***试验装置，它包括可视化液力减速器***、水循环***、PIV测试***；可视化液力减速器***包括顺次相连的驱动电机、变速箱、气动离合器、惯性飞轮箱、转速扭矩传感器、可视化试验箱、液力减速器，所述的可视化试验箱采用透明材料制成，具有安装液力减速器可视化样机的定轮、动轮、壳体的标准接口，适用水介质，制动器轴由轴承支撑，穿过液力减速器壳体与动轮连接；水循环***包括顺次相连的储水箱、水泵、压力指示器、减压器、示踪粒子投放器、流量计；PIV测试***包括圆形导轨、第一CCD相机、第二CCD相机、计算机、双脉冲激光器、同步器，所述的双脉冲激光器所发光源为片光，安装于圆形导轨上，第一CCD相机安装于可视化试验箱顶部，向下拍摄，用于测量内流场弦面信息，第二CCD相机安装于圆形导轨上，可沿导轨转动，保持第二CCD相机的中心轴线与双脉冲激光器片光平面相垂直，用于测量内流场垂直于弦面的任意截面信息。
一种所述的液力减速器内流场三维PIV测试***试验装置的具体操作方法如下，在对内流场进行三维PIV测量时：
1）调节双脉冲激光器片光，使之平行于流场弦面，调整安装于试验箱顶部的第一CCD相机，使之轴线垂直于弦面，当液力减速器进入制动工况，示踪粒子随水流进入减速器工作腔时，同步器控制所述双脉冲激光器与第一CCD相机同步工作，激光片光照亮流场，第一CCD相机对流场进行拍照记录，利用计算机PIV分析软件对所摄图像进行处理，测量内流场瞬时速度场数据，获取内流场弦面数据；
2）调节双脉冲激光器，使之产生的片光垂直于弦面，调整圆形导轨上的第二CCD相机使之中心轴线与激光器片光平面垂直，双脉冲激光器与第二CCD相机分别位于圆形导轨的两处，激光器片光垂直于弦面，第二CCD相机轴线平行于翼坐标轴，与片光平面垂直，控制双脉冲激光器与第二CCD相机同步工作，激光片光照亮流场，第二CCD相机对流场拍照记录，测量当前截面流场信息；
3）调节双脉冲激光器沿圆形导轨转过一定角度 θ，片光平面仍垂直于弦面，调整第二CCD相机沿圆形导轨相同方向转过相同角度θ，第二CCD相机轴线与激光器片光平面保持垂直，控制双脉冲激光器与第二CCD相机同步工作，激光片光照亮流场，第二CCD相机对流场进行拍照记录，测量内流场垂直于弦面的任意截面信息，所述的第二CCD相机与双脉冲激光器底部均有滑轮，沿圆形导轨滚动，圆形导轨周身标有刻度，便于角度调节。
本发明的有益效果是：
1、可以对液力减速器实际制动工况下内流场全区域内任意截面进行三维PIV测量，获得流速分布等数据，优化减速器液力元件设计。
2、可以方便快速调节激光器与CCD相机，使其片光平面与中心轴线始终保持垂直，保证所测图像清晰准确。
附图说明
图1是液力减速器内流场三维PIV测试***试验装置三维结构示意图。
图2是外驱动***结构示意图。
图3是液力减速器剖面示意图。
图4是水循环***示意图。
图5是液力减速器内流场空间示意图。
图6是圆形导轨调节示意图。
图中：1-驱动电机，2-变速箱，3-气动离合器，4-惯性飞轮箱，5-转速扭矩传感器，6-可视化试验箱，7-可视化液力减速器，8-制动器轴，9-圆形导轨，10-1-第一CCD相机、10-2- 第二CCD相机，11-计算机，12-双脉冲激光器，13-同步器，14-定轮，15-动轮，16-壳体，17-轴承，18-储水箱，19-水泵，20-压力指示器，21-减压器，22-示踪粒子投放器，23-流量计，θ-激光器片光平面与y轴线夹角。
具体实施方式
以下结合附图和实施方式对本发明作进一步的描述。
本发明采用粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry，简称PIV）对可视化液力减速器进行三维流场测试，可以得到内流场流速分布。液力减速器内流场非常复杂，处于高度湍流状态，PIV技术对流场无干扰，可以获得内流场的瞬时速度场，进行全场定量测量，因此对于流动的细微结构及其机理的研究具有重要的意义，是测量复杂流场的一种最先进的技术。通过PIV拍摄对液力减速器内流场进行研究，其结果可用于减速器内部液力元件的设计与优化。
一种液力减速器内流场三维PIV测试***试验装置，它包括可视化液力减速器***、水循环***、PIV测试***；可视化液力减速器***包括顺次相连的驱动电机1、变速箱2、气动离合器3、惯性飞轮箱4、转速扭矩传感器5、可视化试验箱6、液力减速器7，所述的可视化试验箱6采用透明材料制成，具有安装液力减速器可视化样机的定轮14、动轮15、壳体16的标准接口，适用水介质，制动器轴8由轴承17支撑，穿过液力减速器壳体16与动轮15连接；水循环***包括顺次相连的储水箱18、水泵19、压力指示器20、减压器21、示踪粒子投放器22、流量计23；PIV测试***包括圆形导轨9、第一CCD相机10-1、第二CCD相机10-2、计算机11、双脉冲激光器12、同步器13，所述的双脉冲激光器12所发光源为片光，安装于圆形导轨9上，第一CCD相机10-1安装于可视化试验箱6顶部竖直向下拍摄，用于测量内流场弦面信息，第二CCD相机10-2安装于圆形导轨9上，并可调节使其沿导轨转动，保持第二CCD相机10-2的中心轴线与双脉冲激光器12片光平面相垂直，用于测量内流场垂直于弦面的任意截面信息。
一种所述的液力减速器内流场三维PIV测试***试验装置的具体操作方法如下，在对内流场进行三维PIV测量时：
1）调节双脉冲激光器12片光，使之平行于流场弦面，调整安装于试验箱顶部的第一CCD相机10-1，使之轴线垂直于弦面，当液力减速器进入制动工况，示踪粒子随水流进入减速器工作腔时，同步器13控制所述双脉冲激光器12与第一CCD相机10-1同步工作，激光片光照亮流场，第一CCD相机10-1对流场进行拍照记录，利用计算机PIV分析软件对所摄图像进行处理，测量内流场瞬时速度场数据，获取内流场弦面数据；
2）调节双脉冲激光器12，使之产生的片光垂直于弦面，调整圆形导轨9上的第二CCD相机10-2使之中心轴线与激光器片光平面垂直，双脉冲激光器12与第二CCD相机10-2分别位于圆形导轨9的两处，激光器片光垂直于弦面，第二CCD相机10-2轴线平行于翼坐标轴，与片光平面垂直，控制双脉冲激光器12与第二CCD相机10-2同步工作，激光片光照亮流场，第二CCD相机10-2对流场拍照记录，测量当前截面流场信息；
3）调节双脉冲激光器12沿圆形导轨9转过一定角度θ，片光平面仍垂直于弦面，调整第二CCD相机10-2沿圆形导轨9相同方向转过相同角度θ，第二CCD相机10-2轴线与激光器片光平面保持垂直，控制双脉冲激光器12与第二CCD相机10-2同步工作，激光片光照亮流场，第二CCD相机10-2对流场进行拍照记录，测量内流场垂直于弦面的任意截面信息。
图1是液力减速器内流场三维PIV测试***试验装置三维结构示意图，为显示清晰，图中未画出水循环***，可视化试验箱6只画出一半箱体，可视化液力减速器7只显示定轮14。
如图2、图3所示，驱动电机1、变速箱2、气动离合器3、惯性飞轮箱4、转速扭矩传感器5、制动器轴8、可视化试验箱6顺次连接，驱动电机1作为动力源提供动力，气动离合器3根据需要控制动力源与液力减速器***结合或脱开，惯性飞轮箱4模拟负载惯量，制动器轴8一端安装转速扭矩传感器5，检测液力减速器转速转矩信息，另一端穿过可视化试验箱6及可液力减速器壳体16，通过轴承17支撑，与动轮15采用花键连接。试验开始后，启动驱动电机1，气动离合器3接合，制动器轴8在驱动电机1作用下带动液力减速器动轮15转动，根据转速扭矩传感器5所测转速、扭矩信息，可视化液力减速器7达到预定工况后，气动离合器3脱开，可视化液力减速器7与外动力源分离，进入制动工况，由惯性飞轮箱4提供制动所需的负载惯量。
图4所示是试验装置水循环***，为使所拍照片清晰，采用水介质替代油液；当可视化液力减速器7进入制动工况后，迅速启动水泵19驱动储水箱18中水介质在管路中流动，压力指示器20、减压器21、粒子投放器22、流量计23顺次连接，控制水介质快速充入减速器工作腔内，同时粒子投放器22释放示踪粒子，示踪粒子均匀散播，跟随性、反光性良好且比重与水介质相当；当可视化液力减速器7结束制动后，水介质回流至储水箱18中，完成循环过程。
如图5所示，在描述液力减速器内流场的流动时，为了分析和理解的方便，建立图中所示的空间坐标系，yoz平面、xoy平面、xoz平面分别为流场弦面、翼面、节面，相应的x坐标、z坐标、y坐标分别为弦坐标、翼坐标、节坐标。
在对内流场进行三维PIV测量时，具体方法如下：
1）调节双脉冲激光器12片光，使之平行于流场弦面，即yoz平面，调整第一CCD相机10-1，使其轴线垂直于弦面向下拍摄，当示踪粒子进入可视化液力减速器7工作腔时，同步器13控制双脉冲激光器12与第一CCD相机10-1同步工作，激光片光照亮流场，第一CCD相机10-1对流场拍照记录，利用计算机PIV分析软件对所摄图像进行处理，测量内流场瞬时速度场数据，获取内流场弦面数据；
2）调节双脉冲激光器12片光，使之垂直于弦面，调整第二CCD相机10-2，使其轴线与片光平面垂直，如图6所示，双脉冲激光器12与第二CCD相机10-2分别位于导轨A、B处，片光平面垂直于弦面yoz，第二CCD相机10-2轴线平行于z轴，即与片光平面垂直，同步器13控制双脉冲激光器12与第二CCD相机10-2同步工作，测量当前截面流场信息；
3）双脉冲激光器12片光平面仍垂直于弦面，如图6所示，双脉冲激光器12沿圆形导轨9转过任意θ，到达A’处，调整第二CCD相机10-2沿圆形导轨9相同方向转过相同角度θ，到达B’处，第二CCD相机10-2轴线与双脉冲激光器12片光平面始终保持垂直，同步器13控制双脉冲激光器12与第二CCD相机10-2同步工作，测量内流场垂直于弦面的任意截面信息。所述的第二CCD相机10-2与双脉冲激光器12底部均有滑轮，沿圆形导轨9滚动，圆形导轨9周身标有刻度，便于角度调节。
以上方法所测数据包含了液力减速器内流场全部区域。
本装置实际工作时根据预设工况调节液力减速器，进入制动工况后外动力源脱开，控制水循环***向减速器工作腔充液及释放示踪粒子，PIV测试***完成采集任务，各部分协同工作，获取液力减速器内流场全区域三维信息，检验并优化液力减速器液力元件设计。
Claims (2)
1.一种液力减速器内流场三维PIV测试***试验装置，其特征在于，它包括可视化液力减速器***、水循环***、PIV测试***；可视化液力减速器***包括顺次相连的驱动电机（1）、变速箱（2）、气动离合器（3）、惯性飞轮箱（4）、转速扭矩传感器（5）、可视化试验箱（6）、液力减速器（7），所述的可视化试验箱（6）采用透明材料制成，具有安装液力减速器可视化样机的定轮（14）、动轮（15）、壳体（16）的标准接口，适用水介质，制动器轴（8）由轴承（17）支撑，穿过液力减速器壳体（16）与动轮（15）连接；水循环***包括顺次相连的储水箱（18）、水泵（19）、压力指示器（20）、减压器（21）、示踪粒子投放器（22）、流量计（23）；PIV测试***包括圆形导轨（9）、第一CCD相机（10-1）、第二CCD相机（10-2）、计算机（11）、双脉冲激光器（12）、同步器（13），所述的双脉冲激光器（12）所发光源为片光，安装于圆形导轨（9）上，第一CCD相机（10-1）安装于可视化试验箱（6）顶部，向下拍摄，用于测量内流场弦面信息，第二CCD相机（10-2）安装于圆形导轨（9）上，可沿导轨转动，保持第二CCD相机（10-2）的中心轴线与双脉冲激光器（12）片光平面相垂直，用于测量内流场垂直于弦面的任意截面信息。
2.一种如权利要求1所述的液力减速器内流场三维PIV测试***试验装置的操作方法，其特征在于，所述的PIV测试***在对液力减速器内流场进行三维PIV测量时，具体操作方法如下：
1）调节双脉冲激光器（12）片光，使之平行于流场弦面，调整安装于试验箱顶部的第一CCD相机（10-1），使之轴线垂直于弦面，当液力减速器进入制动工况，示踪粒子随水流进入减速器工作腔时，同步器（13）控制所述双脉冲激光器（12）与第一CCD相机（10-1）同步工作，激光片光照亮流场，第一CCD相机（10-1）对流场进行拍照记录，利用计算机PIV分析软件对所摄图像进行处理，测量内流场瞬时速度场数据，获取内流场弦面数据；
2）调节双脉冲激光器（12），使之产生的片光垂直于弦面，调整圆形导轨（9）上的第二CCD相机（10-2）使之中心轴线与激光器片光平面垂直，双脉冲激光器（12）与第二CCD相机（10-2）分别位于圆形导轨（9）的两处，激光器片光垂直于弦面，第二CCD相机（10-2）轴线平行于翼坐标轴，与片光平面垂直，控制双脉冲激光器（12）与第二CCD相机（10-2）同步工作，激光片光照亮流场，第二CCD相机（10-2）对流场拍照记录，测量当前截面流场信息；
3）调节双脉冲激光器（12）沿圆形导轨（9）转过一定角度θ，片光平面仍垂直于弦面，调整第二CCD相机（10-2）沿圆形导轨（9）相同方向转过相同角度θ，第二CCD相机（10-2）轴线与激光器片光平面保持垂直，控制双脉冲激光器（12）与第二CCD相机（10-2）同步工作，激光片光照亮流场，第二CCD相机（10-2）对流场进行拍照记录，测量内流场垂直于弦面的任意截面信息，所述的第二CCD相机（10-2）与双脉冲激光器（12）底部均有滑轮，沿圆形导轨（9）滚动，圆形导轨（9）周身标有刻度，便于角度调节。
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