摘? ?要： 多數(shù)空化水洞實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)成本高昂、實(shí)用性不強(qiáng)、智能化程度低，無(wú)法較好滿足動(dòng)態(tài)空化繞流實(shí)驗(yàn)需求。設(shè)計(jì)并搭建一套基于小型空化水洞的動(dòng)態(tài)空化繞流實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)空化水洞對(duì)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(jī)、下位機(jī)設(shè)計(jì)方案，并創(chuàng)新性地引入空化可見(jiàn)光成像分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空化繞流場(chǎng)可視化。系統(tǒng)測(cè)試表明：該系統(tǒng)能夠通過(guò)來(lái)流速度、來(lái)流角度、壓力和空化數(shù)等參數(shù)反映空化繞流場(chǎng)實(shí)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(shí)驗(yàn);空化繞流場(chǎng);可視化;空化數(shù)

中圖分類號(hào)：TH82? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：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(chǎng)在水中運(yùn)動(dòng)體、流量測(cè)量設(shè)備、流體機(jī)械周圍非常常見(jiàn)。對(duì)空化繞流場(chǎng)進(jìn)行研究，對(duì)水中運(yùn)動(dòng)減阻、設(shè)備測(cè)量精確性提升、機(jī)械能量轉(zhuǎn)換等具有指導(dǎo)意義。在空化繞流場(chǎng)研究中，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是不可或缺的環(huán)節(jié)，而空化水洞又是最為常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

近年來(lái)，針對(duì)空化水洞實(shí)驗(yàn)的控制、測(cè)試、測(cè)量系統(tǒng)開發(fā)正朝著更為細(xì)致和精確的方向發(fā)展。李淼等[1]從空化水洞實(shí)驗(yàn)的實(shí)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(guò)空化水洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，研究了翼型的附著空化機(jī)理。目前，使用基于PIV技術(shù)的大型數(shù)據(jù)采集平臺(tái)進(jìn)行空化水洞的流場(chǎng)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(chǎng)顯示分析技術(shù)又難以應(yīng)用在空化繞流實(shí)驗(yàn)中[4-5]。

相較于以上實(shí)驗(yàn)設(shè)備，小型空化水洞是一種實(shí)驗(yàn)成本低、環(huán)保節(jié)能的水洞設(shè)備，對(duì)于處在初步研發(fā)階段的小型模擬樣機(jī)的空化繞流初試實(shí)驗(yàn)具有重要作用。本文在對(duì)空化繞流實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的在線實(shí)時(shí)測(cè)量方案，并開展動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)空化繞流場(chǎng)的低成本、智能化實(shí)驗(yàn)?zāi)M。

1? 實(shí)驗(yàn)要求及條件分析

1.1? 空化水洞實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)和布局

進(jìn)行動(dòng)態(tài)空化繞流實(shí)驗(yàn)對(duì)空化水洞有如下基本要求：

（1）盡可能緊湊布局，試驗(yàn)段尺寸應(yīng)為試驗(yàn)樣機(jī)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(yàn)段的尾部支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)便于實(shí)驗(yàn)樣機(jī)拆裝，同時(shí)方便數(shù)據(jù)線引出。

1.2? 動(dòng)態(tài)空化繞流實(shí)驗(yàn)條件

為了對(duì)動(dòng)態(tài)繞流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，基于小型空化水洞設(shè)計(jì)空化繞流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，模擬流速范圍為0.5～12 m/s。實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)需要能夠測(cè)量水洞流場(chǎng)參數(shù)，并獲取流場(chǎng)環(huán)境參數(shù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)中包括基于壓差測(cè)量的水洞流速測(cè)量系統(tǒng)，得到水洞工作段的即時(shí)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(shí)時(shí)測(cè)量方案

設(shè)計(jì)基于PC上位機(jī)與MCU下位機(jī)的實(shí)驗(yàn)測(cè)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(jī)設(shè)計(jì)、上位機(jī)設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)空化圖像處理技術(shù)。

2.1? 下位機(jī)設(shè)計(jì)

下位機(jī)包括ADC數(shù)據(jù)采集和RS485串口通信兩部分構(gòu)成?？刂坪诵幕贑8051F410單片機(jī)，其集成了跟蹤保持電路、可編程窗口檢測(cè)器和硬件累加器，硬件累加器可實(shí)現(xiàn)1、4、8、16次采樣和累加，在硬件層面實(shí)現(xiàn)平均值濾波。下位機(jī)與上位機(jī)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(qiáng)電磁場(chǎng)的設(shè)備，如電動(dòng)機(jī)、變頻器等，以及出于傳輸距離的考慮。信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片選用MAX485，負(fù)責(zé)將通信信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘中盘?hào)，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)在遠(yuǎn)距離、強(qiáng)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(hào)進(jìn)行定時(shí)分時(shí)采集，如此循環(huán)，采集兩路信號(hào)，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(dòng)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(jìn)行。

2.2? 上位機(jī)設(shè)計(jì)

測(cè)量水洞中各點(diǎn)流速、壓力信號(hào)，并將這些數(shù)據(jù)在PC上位機(jī)中進(jìn)行處理。同時(shí)，通過(guò)反向控制變頻器，實(shí)現(xiàn)雙向的閉環(huán)控制。

基于LabVIEW的水洞測(cè)控方案設(shè)計(jì)如下：數(shù)據(jù)采集啟動(dòng)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的圖形化顯示，并判斷是否需要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，若需要，則將流速、壓力數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于PC上位機(jī);最后，進(jìn)行輸入指令判斷，上位機(jī)程序發(fā)送相應(yīng)指令控制變頻器，實(shí)現(xiàn)對(duì)水洞運(yùn)行的控制。

2.3? 動(dòng)態(tài)空化圖像處理技術(shù)

在動(dòng)態(tài)空化繞流實(shí)驗(yàn)中，空化的外輪廓和特征長(zhǎng)度的變化周期可以通過(guò)可見(jiàn)光成像進(jìn)行分析[5]，但需要處理大量的空化圖像，并克服實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的背景干擾。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)攝錄設(shè)備可獲得連續(xù)時(shí)間間隔的大量圖像?？栈梢?jiàn)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(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。首先進(jìn)行處理軟件和空化圖像的信息交互，然后進(jìn)行讀取循環(huán)，最終獲取相應(yīng)的空化圖像在時(shí)間維度上的變化信息。

3? 動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

如引言所述，采用小型空化水洞不僅節(jié)省能源，而且在進(jìn)行多種試件、重復(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí)具有成本優(yōu)勢(shì)。下面以動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)為例，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)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(shí)現(xiàn)方法?？梢钥闯觯ㄟ^(guò)表1中所列手段，小型空化水洞可以對(duì)來(lái)流速度（雷諾數(shù)）、來(lái)流角度、水深壓力和空化數(shù)進(jìn)行模擬，以達(dá)到動(dòng)態(tài)模擬高速空化繞流場(chǎng)的目的。

系統(tǒng)調(diào)試步驟如下：

（1）開啟測(cè)量電路電源;

（2）打開上位機(jī)數(shù)據(jù)采集開關(guān);

（3）啟動(dòng)水洞電動(dòng)機(jī)，按照變頻器設(shè)定的加速時(shí)間勻加速;

（4）加速至最大流速后，保持一段時(shí)間;

（5）按照變頻器設(shè)定的減速時(shí)間勻減速。

圖3所示為測(cè)試系統(tǒng)調(diào)試上位機(jī)運(yùn)行結(jié)果（電源最大頻率47.5 Hz，加減速時(shí)間40 s）。由圖3可見(jiàn)，測(cè)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(shí)時(shí)顯示的流速、壓力數(shù)據(jù)能夠基本反映上述水洞運(yùn)行過(guò)程。

4? 結(jié)束語(yǔ)

本文從空化繞流實(shí)驗(yàn)的實(shí)際需求出發(fā)，設(shè)計(jì)并搭建了基于小型空化水洞的動(dòng)態(tài)空化繞流實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，完成了軟硬件設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試表明，系統(tǒng)整體運(yùn)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(chǎng)的研究提供了可靠的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

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

基金項(xiàng)目

南京工程學(xué)院博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目（YKJ201628）

參考文獻(xiàn)

[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(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制， 2011， 19（9）： 2151-2153.

[2] 王暢暢， 黃彪， 王國(guó)玉， 等. 附著型空穴斷裂及脫落機(jī)制的實(shí)驗(yàn)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(chǎng)PIV顯示與分析系統(tǒng)離軸測(cè)試校正[J]. 光子學(xué)報(bào)， 2007， 36（1）： 169-173.

[4] 耿子海， 蔡晉生， 姜裕標(biāo)， 等. 低湍流度水洞的水動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)與流場(chǎng)校測(cè)[J]. 水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展： A輯， 2019， 34（5）： 682-690.

[5] 李其弢， 何友聲， 楊英強(qiáng). 超空泡實(shí)驗(yàn)中的數(shù)字圖像檢測(cè)[J]. 水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展： A輯， 2007， 22（2）： 208-214.

作者簡(jiǎn)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(jī)械系統(tǒng)測(cè)試測(cè)量技術(shù)。

E-mail： lyhho@qq.com

（收稿日期：2020-09-11）