基于激光多普勒测速的波流流速测量系统及水洞式游泳机系统技术方案

本实用新型专利技术公开一种基于激光多普勒测速的波流流速测量系统、水洞式游泳机系统，其可准确测定波浪水流速度和速度分布，为标定游泳机泳速显示和评价游泳机性能提供可靠依据。包括动力箱、主流区、分成两路的回流管道，在发射/接收光单元前端安装有带密封窗口的导光管，其透过波浪水面，将激光束照射到主流区形成测量体并能接收测量体的散射光，实现LDV流速测量；测量体反光镜将后向散射光转变为前向散射光，极大提高了接收散射光强度；采用小功率半导体激光器，无需人工添加粒子，也能得到良好的信噪比。本实用新型专利技术可用于具有波浪自由面的流速测量场合，如大型波槽、水洞式游泳机、船舶航行速度等，这是现有其它流速测量技术难以企及的。

Wave current velocity measurement system and water tunnel swimming machine system based on laser Doppler velocity measurement

【技术实现步骤摘要】
基于激光多普勒测速的波流流速测量系统及水洞式游泳机系统
本技术属于流体力学水洞、游泳机应用和流速测量
，涉及将激光多普勒测速技术用于测量水洞式游泳机的流速特性；同时，本技术还涉及将激光多普勒测速仪用于具有波浪水面的其它流速测量场合；具体涉及一种基于激光多普勒测速的波流流速测量系统、水洞式游泳机系统。
技术介绍
流体力学实验水洞广泛用于各种模型实验，如船舰、潜艇和各种形状的物体模型等；用于人体泳姿研究的大型水洞式游泳机也已经在许多国家建造，如日本五十岚公司于1979年生产的水洞式游泳机，水量100立方米，流速0～2.5米/秒，成为训练游泳运动员的重要手段，但是造价高昂。实验水洞的基本原理是通过水力推进器得到以一定速度流动的循环水流，当水流流过物体或人体时，就会产生阻力，如果物体或人体具有前进的动力，并且能够克服这种阻力时，物体或人体就会与水流处于相对平衡的静止状态，因而可以方便地观察和测量绕流物体的流动特性或人体的泳姿。在常规的大型水洞式游泳机中，可以通过试验段两侧和底面的玻璃窗口，应用多种测量仪器如皮托管流速计、热膜风速计、粒子成像测速仪(PIV)等实现流速测量；但是在本技术所述的小型水洞式游泳机中，由于空间和结构上的限制，不可能在两侧和底面设置测量窗口，只能通过水表面进行流速测量，在这种条件下，上述测量技术都难以实现；因此，水洞式游泳机的流速标定是目前存在的重要课题。北航李岩、王海文、郭辉等将皮托管流速计用于低速水洞流场的速度校测，被测流场的平均速度均匀性和湍流度均为0.5％左右，这种流场的速度稳定均匀，湍流度较低，用皮托管流速计可以得到比较准确的结果。由于国际上对皮托管流速计的标定要求十分严格，规定校正设备测试段的湍流度应低于0.3％；因此，将皮托管流速计用高湍流度流场是不适合的。美国TSI公司和丹麦DANTEC公司都生产多种型号的热膜风速计，可用于水流速度的测量；由于热膜的非线性特性，必须进行线性化修正和温度误差等补偿，再要通过标准的校正设备进行校正，由于受到校正设备性能指标的限制，热膜风速计一般适用于流速大于0.5m/s和中低湍流度流场。粒子图像测速仪(PIV)也已被广泛应用于流速测量；它的优点是通过拍摄粒子位移照片和图像分析可以得到瞬时二维流场速度分布；但是，连续拍摄的帧频率较低，不适合测量高湍流度流动；另外，它要求测量对象在两个方向具备透光窗口，这也限制了PIV在小型水洞式游泳机的应用。激光多普勒测速仪具有非接触测量、线性特性、精度高、动态响应快、测速范围广，以及无需标定等优点，是理想的高湍流复杂流场的测量手段，但是也受到波浪水面的影响；本技术为了克服这一难点，在常规的LDV基础上进行创新和改进，提出了一种克服波浪水面阻碍光线传输的的方法和装置，从而实现了水洞式游泳机的流速测量和游泳机性能标定，使水洞式游泳机成为真正意义上的完整系统。
技术实现思路
考虑到上述问题而提出了本技术。本技术提供了一种基于激光多普勒测速的波流流速测量系统及水洞式游泳机系统，解决了水洞式游泳机的流速标定和流场性能评价问题，使水洞式游泳机成为完整的系统，可以连续调节水流速度，并正确地显示水流的速度分布和整体的流场性能。本技术所用技术为一种应用激光多普勒测速技术的水洞式游泳机系统包括有：推动水流流动的动力箱；水流由动力箱流出后，在进入后部栅格之前形成主流区；水流经后部栅格后对称分成两路，各经过底部的回流管道流回到动力箱，完成水洞式的水流循环；激光多普勒测速仪的光学探头置于主流区水面上方，用来测量主流区的水流速度，这是游泳机的重要性能数据；激光多普勒测速仪的信号处理器接收光学探头的多普勒电信号，经过信号处理软件得到所需的流速信息；光学探头安装在一台三维坐标移测架上，用来移动测点坐标，得到整个流场的流速分布数据；根据流体力学水洞原理进行游泳机主要部件设计改进，达到游泳机性能的优化；转速调节器用来调节驱动马达和螺旋桨叶转速，从而调节水流速度。实现上述的系统的技术方案的一个方面是提供一种一种基于激光多普勒测速的波流流速测量系统，其包括驱动水流的动力装置；出口水流形成的主流区；回流区；激光多普勒测速仪；激光多普勒测速仪包括发射光单元、接受光单元、导光装置、反光装置；-在所述激光多普勒测速仪发射光单元和/或接收光单元的第一端，安装有带有密封装置的导光装置，所述导光装置透过波浪水面，将激光束照射到主流区的测量体，同时接收测量体的散射光；-安装有测量体反光装置，所述测量体反光装置将后向散射光转变为前向散射光，供导光装置接收。进一步地,所述回流区为回流管道；所述导光装置为安装有带有密封窗口的导光管，所述导光管伸入水面下方，透过波浪水面，将激光束照射到主流区的测量体，同时接收测量体的散射光；所述测量体反光装置为测量体反光镜，其布置用于反射测量体的光给导光管。进一步地,所述测量体反光装置位于发射光形成的测量体的前方；所述测量体反光装置通过可调节机构固定在发射光单元的导光管上，所述可调节机构对所述测量体反射镜与测量体之间的距离和反射角度进行调节。进一步地,还包括:所述动力装置为联结驱动马达的螺旋桨叶轮、导流片和整流器的动力箱；-后部整流栅格；-LDV信号处理器；-叶轮转速调节器；-水流通道设置为：所述动力箱推动水流出口形成主流区，进入后部整流栅格；水流分成两路，经过装有导流片的回流管道；水流从底部两侧回流到动力箱；-所述叶轮转速调节器连接所述动力箱的驱动马达，叶轮转速调节器控制驱动马达的转速，调节叶轮旋转速度改变水流速度；-所述激光多普勒测速仪通过LDV测速，输出游泳机的速度数据；激光多普勒测速仪设有坐标移位装置，移动LDV测量体位置，得到主流区不同位置的速度分布数据；-LDV信号处理器，LDV信号处理器包括LDV处理模块，所述LDV处理模块配置为具有可变时间平均采样功能，其输出瞬时速度、平均速度和速度直方图。进一步地,所述驱动水流的动力箱至少设有两个进水口和一个出水口、进口导流片、出口导流片、连结驱动马达的螺旋桨叶轮和第一、第二整流器；其中进水口设在底部两侧，出水口设在上部前方；所述进口导流片至少包括对称的两组导流片，即两侧进水口各有一组导流片；进口导流片上方设有与驱动马达联结成一体的螺旋桨叶；螺旋桨叶上方设有第一整流器，其将大涡破碎成小涡；向上流动的水流再至少经过一组导流片即出口导流片，改变为水平方向流动；所述动力箱从底部两侧进水口进水，流过所述对称的两组导流片，将水流引导向上，经过螺旋桨叶后，先流过第一整流器，再流过出口导流片，令水流改变方向，再经过第二整流器后，从动力箱上部出口水平流出。本技术实现上述的系统的技术方案的另一个方面是提供一种基于激光多普勒测速的水洞式游泳机系统，其采用上述的基于激光多普勒测速的波流流速测量系统，所述的坐标位移装置具有三维位移装置，所述三维位移装置为机械式或数字控制机械臂式或气动式机构。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光多普勒测速的波流流速测量系统，其特征在于，/n包括驱动水流的动力装置；出口水流形成的主流区；回流区；激光多普勒测速仪；/n激光多普勒测速仪包括发射光单元、接受光单元、导光装置、反光装置；/n在所述激光多普勒测速仪发射光单元和/或接收光单元的第一端，安装有带有密封装置的导光装置，所述导光装置透过波浪水面，将激光束照射到主流区的测量体，同时接收测量体的散射光；/n安装有测量体反光装置，所述测量体反光装置将后向散射光转变为前向散射光，供导光装置接收。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于激光多普勒测速的波流流速测量系统，其特征在于，
包括驱动水流的动力装置；出口水流形成的主流区；回流区；激光多普勒测速仪；
激光多普勒测速仪包括发射光单元、接受光单元、导光装置、反光装置；
在所述激光多普勒测速仪发射光单元和/或接收光单元的第一端，安装有带有密封装置的导光装置，所述导光装置透过波浪水面，将激光束照射到主流区的测量体，同时接收测量体的散射光；
安装有测量体反光装置，所述测量体反光装置将后向散射光转变为前向散射光，供导光装置接收。


2.根据权利要求1所述的一种基于激光多普勒测速的波流流速测量系统，其特征在于，
所述回流区为回流管道；
所述导光装置为安装有带有密封窗口的导光管；
所述测量体反光装置为测量体反光镜，其布置用于反射测量体的光给导光管。


3.根据权利要求1或2所述的一种基于激光多普勒测速的波流流速测量系统，其特征在于，
所述测量体反光装置位于发射光形成的测量体的前方；
所述测量体反光装置通过可调节机构固定在发射光单元的导光管上，所述可调节机构对所述测量体反射镜与测量体之间的距离和反射角度进行调节。


4.根据权利要求1所述的一种基于激光多普勒测速的波流流速测量系统，其特征在于，还包括：
所述动力装置为联结驱动马达的螺旋桨叶轮、导流片和整流器的动力箱；
后部整流栅格；
LDV信号处理器；
叶轮转速调节器；
水流通道设置为：所述动力箱推动水流出口形成主流区，进入后部整流栅格；水流分成两路，经过装有导流片的回流管道；水流从底部两侧回流到动力箱；
所述叶轮转速调节器连接所述动力箱的驱动马达，叶轮转速调节器控制驱动马达的转速，调节叶轮旋转速度改变水流速度；
所述激光多普勒测速仪通过LDV测速，输出游泳机的速度数据；激光多普勒测速仪设有坐标移位装置，移动LDV测量体位置，得到主流区不同位置的速度分布数据；
LDV信号处理器，LDV信号处理器包括LDV处理模块，所述LDV处理模块配置为具有可变时间平均采样功能，其输出瞬时速度、平均速度和速度直方图。


5.根据权利要求4所述的一种基于激光多普勒测速的波流流速测量系统，其特征在于，
所述驱动水流的动力箱至少设有两个进水口和一个出水口、进口导流...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈熊，郁漫天，沈小钧，
申请(专利权)人：沈熊，
类型：新型
国别省市：北京;11