液力叶轮机械内流场三维综合测试装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及流体力学实验领域的一种测试装置，更确切地说，本发明涉及一种集 成平面激光诱导屏光技术（Planar laser-induces fluorescence，简称PLIF)和粒子图像 测速技术（Part icle Image Velocimetry，简称PIV)的液力叶轮机械内流场三维综合测试 装置。
【背景技术】
[0002] 液力叶轮机械内流场是复杂的三维流动，如液力变矩器、液力缓速器、液力耦合器 等，由于三维理论尚不成熟，不能用来对液力叶轮机械的内流场进行精确的计算和分析。目 前，国内外针对液力叶轮机械性能研宄主要是通过计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD)数值仿真，对内流场进行研宄。但是目前使用CFD所进行的流场分析 是在诸多简化条件下进行的，所做的稳态假设仅仅反映了元件的静态学特性，数值模拟的 模型还不够完备，CFD分析仍然属于正向验证性质的数值模拟，没能成熟应用到液力元件的 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。
[0003] 对液力叶轮机械内流场的试验分析装置主要分为两类：接触式测量和非接触 式测量。进入21世纪，非接触式测量技术的发展，使液力叶轮机械的内流场试验测试得 到了飞速发展。通过光学的非接触式测量叶轮机械内部流场成为主流，如激光多普勒 测试仪（Laser Doppler Anemometry,简称 LDA)、粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry，简称 PIV)。
[0004] 激光多普勒测速仪（LDA)是一种非接触式直接测量内流场某点速度的测量技术。 即一束频率稳定的激光照射到运动目标上，由于多普勒效应，目标的后向散光将会产生一 定的频移，通过对后向散射光多普勒频移的测量可以得到运动目标沿着光束方向的速度信 息。由于激光多普勒测速仪的测量精确度以及对内流场的非侵入性测量，所以在液力叶轮 机械内流场的速度测量中得到应用。但是由于LDA技术只能测量内流场单点速度，而不能 得到全流场速度分布，因此不能直接对内流场全流场做流动分析，这就制约了 LDA技术在 内流场测试的深入应用。
[0005] 粒子图像测速技术（PIV)是一种非接触式间接测量流场速度场测试技术。测试 过程中，选择具有良好流动跟随性和光散射性的示踪粒子播撒于流场中，然后用激光片光 源把被测流场的某一测试平面照明，通过图像采集系统（如CCD相机等），分别记录下tl、 t2时刻的流场粒子图像，经过数字图像处理，求得两次拍摄时间间隔内粒子的位移，即可算 出速度场。由于PIV技术对流场无干扰，且可以获得内流场的瞬时速度场，进行全场定量测 量，因此对流动的细微结构及其机理的研宄具有重要意义，是测量复杂流场的一种先进的 技术。但是由于两帧图像间的速度提取问题造成PIV的测量精度和计算效率仍有待提高。 目前，虽然很多研宄者已提出许多方法来改进速度提取算法，如拓扑图论、神经网络、遗传 算法、模糊聚类等算法，但是这算法的改进都是基于数值图像算法本身，未能通过其他装置 从内流场中获得更多同步信息来改进速度提取的准确性和有效性，所以对PIV技术的速度 提取的准确性和尚效性提尚有限。
[0006] PLIF全称为平面激光诱导屏光技术（Planar Laser Induces Fluorescence，简称 PLIF)，即应用特定频率的片状光源照射被测对象，被测对象发生共振跃迀成为激发态，位 于激发态的被测对象发出由这种特定频率的片状光源所激发诱导的荧光信号，然后采用接 受装置接受荧光信号，这种探测试验技术就称为PLIF技术。PLIF技术在燃烧诊断、浓度测 量中已得到深入广泛的应用，同时它在流体力学试验测量领域也得到成功运用，可对内流 场中的温度，压力做定性和定量的分析，研宄应用前景十分广阔。但是直接将PLIF技术应 用在液力叶轮机械内流场测试中的案例在世界上极少，因为PLIF技术得到的荧光强度只 是直接与被测荧光物质浓度成函数关系，即可以测量被测物质的浓度场分布；通过两相对 比也可以得到荧光强度与荧光物质温度的函数关系，即也可以测量被测物的温度场分布。 液力叶轮机械内流场测量的关键就是速度、温度、压力的测量。
[0007] 因此，迫切需要一种能更准确高效地测量叶轮机械内流场得到全场速度场可视化 图像和内流场温度、压力信息的装置，来系统全面的分析液力叶轮机械的复杂三维内流场 运动，优化叶轮叶片的设计。
【发明内容】
[0008] 本发明所要解决的技术问题是克服了现有液力叶轮机械内流场测试装置测得到 的叶轮机械内流场的全场域速度场准确性和计算效率不高以及不能同步得到叶轮机械内 流场的温度、压力信息的问题，提供了一种液力叶轮机械内流场三维综合测试装置。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的液力叶轮机械 内流场三维综合测试装置包括可视化液力叶轮机械系统、光学测试系统与水循环系统。
[0010] 所述的可视化液力叶轮机械系统包括可视化液力变矩器。
[0011] 所述的光学测试系统包括光学测量架，光学测试系统通过光学测量架安装在可视 化液力变矩器的正上方并且光学测量架中的两个结构相同的光学测量架底座安装在可视 化液力变矩器两侧的地基上。
[0012] 所述的水循环系统包括流量计与储水箱；流量计的出口端与可视化液力变矩器中 的油套上侧的水介质入口管路连接，储水箱的进水口与可视化液力变矩器中的油套下侧的 水介质出口管路连接。
[0013] 技术方案中所述的可视化液力叶轮机械系统包括驱动电机、减速器、扭矩测量器、 变矩器左支撑架、可视化液力变矩器、变矩器右支撑架与测功机。驱动电机的输出端通过联 轴器与减速器的输入端连接，减速器的输出端通过联轴器与扭矩测量器的输入端连接，扭 矩测量器的输出端通过法兰盘与左联接法兰螺栓连接，左联接法兰通过平键安装在输入轴 的左端，输入轴的中端通过滚动轴承安装在变矩器左支撑架上端的通孔内为转动连接，弹 性盘采用螺钉固定安装在输入轴的右端面上，弹性盘采用螺栓与可视化变矩器壳体的左端 面连接，可视化变矩器中的导轮座与涡轮轴都插入油套内，导轮座的右端通过螺钉固定在 油套内孔的凸缘上，涡轮轴通过一对结构相同的深沟球轴承安装在油套右端内孔中为转动 连接，油套的右端安装在变矩器右支撑架上端的通孔内并采用螺栓固定连接，涡轮轴的右 端通过法兰盘与测功机输入端连接。
[0014] 技术方案中所述的光学测量架包括两个结构相同的升降丝杠、两个结构相同的光 学测量架底座、激光器支撑架、CCD照相机支撑架、荧光接受器支撑架、一号CCD照相机座、 二号(XD照相机座、激光器座、一号焚光接受器座和二号焚光接受器座；
[0015] -号C⑶照相机座和二号C⑶照相机座卡装在C⑶照相机支撑架的滑轨上为滑动 连接，激光器座卡装在激光器支撑架的滑轨上为滑动连接，一号荧光接受器座和二号荧光 接受器座卡装在荧光接受器支撑架的滑轨上为滑动连接，CCD照相机支撑架的两侧端与两 个结构相同的升降丝杠上端通过螺纹连接，圆弧形的激光器支撑架的两端和CCD照相机支 撑架的两侧端的外侧通过销钉连接，圆弧形的荧光接受器支撑架的两端和CCD照相机支撑 架的两侧端的内侧通过销钉连接，两个结构相同的升降丝杠通过调节螺母安装在两个结构 相同的光学测量架底座的升降孔中。
[0016] 技术方案中所述的光学测试系统还包括计算机、同步器、片状光源激光器、一号荧 光接受器、二号荧光接受器、二号CCD照相机与一号CCD照相机。所述的片状光源激光器 通过激光器座安装在光学测量架中的激光器支撑架上，一号CXD照相机和二号CXD照相机 依次通过一号CCD照相机座和二号CCD照相机座安装在光学测量架中的CCD照相机支撑 架上，一号荧光接受器与二号荧光接受器分别通过一号荧光接受器座和二号荧光接受器座 安装在光学测量架中的荧光接受器支撑架上；所述的片状光源激光器、一号CCD照相机、二 号CCD照相机、一号荧光接受器与二号荧光接受器通过数据线和同步器相连接；一号CCD照 相、二号CCD照相机、一号荧光接受器与二号荧光接受器通过信号线与计算机相连接。
[0017] 技术方案中所述的水循环系统还包括水泵、压力指示器、减压器、示踪粒子投放 器、流量计和水箱。所述的水泵的出口端接有压力指示器，减压器的进口端与水泵的出口端 管路连接，示踪粒子投放器的进口端与减压器的出口端管路连接，流量计的进口端与示踪 粒子投放器的出口端管路连接，水箱的出水口与水泵的进口端管路连接。
[0018] 所述的液力叶轮机械内流场三维综合测试装置包括可视化液力叶轮机械系统、光 学测试系统与水循环系统。
[0019] 所述的可视化液力叶轮机械系统包括可视化液力耦合器。
[0020] 所述的光学测试系统包括光学测量架，光学测试系统通过光学测量架安装在可视 化液力耦合器的正上方并且光学测量架中的两个结构相同的光学测量架底座安装在可视 化液力耦合器两侧的地基上。
[0021] 所述的水循环系统包括流量计与储水箱；流量计的出口端与可视化液力耦合器中 的油套上侧的水介质入口管路连接，储水箱的进水口与可视化液力耦合器中的油套下侧的 水介质出口管路连接。
[0022] 所述的液力叶轮机械内流场三维综合测试装置包括可视化液力叶轮机械系统、光 学测试系统与水循环系统。
[0023] 所述的可视化液力叶轮机械系统包括可视化液力缓速器。
[0024] 所述的光学测试系统包括光学测量架，光学测试系统通过光学测量架安装在可视 化液力缓速器的正上方并且光学测量架中的两个结构相同的光学测量架底座安装在可视 化液力缓速器两侧的地基上。
[0025] 所述的水循环