基于叶轮机械非定常流场结构的光学测量实验的教学模式探索

2018-05-21刘春宝

吉林广播电视大学学报 2018年4期

袁哲徐飞刘春宝

（吉林大学机械科学与工程学院，吉林长春 130022）

“叶轮机械非定常流场结构的光学测量实验”是吉林大学本科生开放性创新实验中的一个实验项目。叶轮机械的工作性能受其内部复杂流场结构的影响。通过叶轮机械非定常流场结构的光学测量实验可以实现叶轮机械内部流动可视化，从本质上认识叶轮机械内部复杂的非定常流动现象，揭示不同工况下流场结构的演变过程，建立叶轮机械能量转化与耗损理论体系。基于光学技术实现叶轮机械流场结构的测量对于深入研究叶轮机械内部非定常流动机理具有重要理论研究意义，对于叶轮机械性能改进和结构优化设计具有重要工程意义。

一、实验目的

为了培养学生的系统性学习液力传动知识，在对液力元件内部流场进行光学测量和分析的基础上，拟对现有液力元件叶片进行仿生学改进，并通过流体机械固定元件压降性能实验台进行减阻效果评估，进而提高液力元件的效率。发挥实验教学资源优势，促进本科生了解先进科学技术与研究方法的渗透与融合，将液力传动与自动变速这一研究方向与仿生学相结合，培养本科生创新实践能力与学科交叉的能力和意识。

1、让学生了解叶轮机械流场光学测量技术和方法，为学生提供一个先进的综合性流场测量平台，在该平台上学生可以完成测量实验的方案设计、机构组装、参数调试和实验结果分析。通过该实验使学生建立理论分析与工程设计的联系，培养学生的工程设计意识，锻炼学生动手设计实验和数据处理的能力。

2、对现有液力元件的叶片进行优化，设计新型仿生叶片，并通过流体机械固定元件压降性能实验台进行减阻效果评估。有利于学生掌握液力传动的基础知识，对液力元件内部的真实流动状态、叶片表面流体的速度分布、液力元件的能量损失等有更加深刻的认识与理解。

二、实验内容

1、PIV实验系统搭建后，通过采集不同工况、不同转速的液力元件的内流场及相关图像，对采集数据进行后处理及分析，得到液力元件的内部流动状态。

2、通过PIV实验采集的数据，对现有液力元件的光滑叶片进行仿生叶片设计，进而提升液力元件叶片的减阻性能，提高液力元件的效能。

3、流体机械固定元件压降性能测试实验平台搭建后，将光滑叶片与仿生叶片进行相同条件下的压降性能测试和对比，得到设计的仿生叶片的减阻效果，总结减阻机理。

三、总体思路

学生在学习了液力传动的相关理论知识后，进行“叶轮机械非定常流场结构的光学测量实验”，主要分5个步骤：

1、学生进行光学测量实验台的搭建；

2、利用实验台进行图像采集与数据分析；

3、对现有液力元件的叶片进行仿生改进；

4、对改进的叶片进行压降性能测试与分析；

5、如果改进后的液力元件效能未提升，则重新设计仿生叶片后进行测试与分析，直至达到目的；最后对实验结果进行总结，并撰写实验报告。

本实验的总体思路如图1所示：

图1 总体思路

综上，本实验的总体思路为学生通过实验测得样机数据后，对结果进行优化，最后总结并撰写实验报告。

四、实施方案

结合本实验的实际情况，下面给出了实验步骤和实验方法。

1、光学测量实验台搭建

学生首先搭建光学测量实验台，即粒子图像测速PIV实验台。PIV实验台采用两个时间间隔很短的两个脉冲光源照亮所需要测量的液力元件流场，利用CCD相机将所照明的流场中的示踪粒子记录下来，利用计算机进行图象处理得到速度场的信息。实验台主要由机械系统、流场照明系统、测量系统、图像采集及显示系统5部分组成，实验台组成如图2所示。

图2 PIV实验台

机械系统主要包括联轴器、三相异步电动机和加载装置；流场照明系统为双脉冲激光器，用于发射激光片光源；测量系统包括转速计、米尺等工具；图像采集系统为CCD相机，用于采集目标流场内的粒子运动轨迹；显示系统为嵌入图像处理系统的便携式计算机，图像处理系统依次对两次采集的图像进行相关预处理，相关性分析和后处理，从中计算出整个流场的速度矢量。

2、图像采集与数据分析

学生通过搭建的PIV实验台，可以得到不同转速、不同工况的液力元件的内部流体的运动轨迹及内流场的分布状态。从而得到内流场的瞬态流动特性及复杂流动现象，如漩涡流动、脱流、二次流等。通过数据采集和分析，学生可找出由于能量消耗而降低效率的区域。

3、对叶轮机械元件叶片进行仿生改进

仿生学为叶片边界层流动控制提供了很多学习的样本。游速较快的水生动物，如鱼类、海豚，具有优异的流动减阻功能。生物能够实现高效的减阻，往往是由几种减阻的方式耦合而成的。基于“仿生耦合设计”的概念，可将鱼体的流线型形态、仿生非光滑表面、微-纳疏水结构等仿生耦元进行耦合，设计多元耦合仿生类鱼体液力元件。学生在设计好仿生叶片后，进行样件加工，加工的样件如图3所示。

通过仿生叶片的设计和加工，学生可了解到仿生学科在工程中的具体应用，并可通过实验进行验证。

4、压降性能测试与分析

在对设计的液力元件仿生叶片与光滑叶片的压降性能进行对比过程中，利用了自主研制的流体机械固定元件压降性能测试实验平台。本实验台主要由一个充满液力传动油的封闭循环管路组成。通过额定功率0.37KW、额定转速1400r/min的调速电机带动齿轮泵运动，将油箱里的液压油泵入到封闭管路当中，对密封舱内的叶片样件进行冲击，最后液压油通过管路回流进油箱。在整个循环过程中，系统会形成流量与压力稳定的均匀流场。自主研制的压降性能测试实验台如图4所示。

图3 液力元件光滑叶片与仿生叶片

图4 自主研制的压降性能测试实验平台

本实验台进行压降性能测试的步骤如下：

（1）在初始状态时，密封仓内无叶片样件、无液压油。

（2）启动平台上的调速电机，电机带动齿轮泵进行工作，整个循环系统处于充液状态。开启密封仓端盖上的通气阀门，当通气孔处有均匀液压油流出时，说明油液已经注满整个密封仓。然后，立刻关闭通气阀门，待循环系统处于稳定状态后开始采集数据。采集得到的密封仓的压降值，用于对测试得到的各种工况的实验数据进行修正，进而确保实验过程中传感器采集得到的压差值即为实验模型产生的压降。

（3）以上校验工作完成后，切断调速电机电源，将加工好的液力元件叶片样件通过螺杆固定在密封仓内。利用变频器改变电机转速，同时配合调节控制阀，以此得到各个不同工况下的进口与出口油压值，然后改变叶片样件与进油口间的角度，模拟出叶片样件各个工况的实际工作环境。

①将液力元件光滑叶片样件固定在密封仓内进行压降测试，将采集到的进口与出口油压值与仿真软件计算数据做对比，二者误差控制在5%以内。

②在所有条件都不改变的情况下，用仿生叶片样件代替光滑叶片样件进行压降测试。由此，保证了仿生叶片与光滑叶片的压降测试实验是在相同环境下进行的。

通过液力元件叶片表面的压降测试实验，学生可以直观的得到设计的仿生叶片的减阻效果，在此基础上，与光滑叶片的减阻效果进行对比，即可得出结论。如果改进后的液力元件效能未提升，则重新设计仿生叶片后进行测试与分析，直至达到目的。

5、撰写实验报告

学生在完成整个实验后，总结归纳减阻机理，进行实验报告的撰写。