袁 哲 徐 飛 劉春寶

（吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130022）

“葉輪機(jī)械非定常流場結(jié)構(gòu)的光學(xué)測量實(shí)驗(yàn)”是吉林大學(xué)本科生開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中的一個實(shí)驗(yàn)項目。葉輪機(jī)械的工作性能受其內(nèi)部復(fù)雜流場結(jié)構(gòu)的影響。通過葉輪機(jī)械非定常流場結(jié)構(gòu)的光學(xué)測量實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)葉輪機(jī)械內(nèi)部流動可視化，從本質(zhì)上認(rèn)識葉輪機(jī)械內(nèi)部復(fù)雜的非定常流動現(xiàn)象，揭示不同工況下流場結(jié)構(gòu)的演變過程，建立葉輪機(jī)械能量轉(zhuǎn)化與耗損理論體系?；诠鈱W(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)葉輪機(jī)械流場結(jié)構(gòu)的測量對于深入研究葉輪機(jī)械內(nèi)部非定常流動機(jī)理具有重要理論研究意義，對于葉輪機(jī)械性能改進(jìn)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有重要工程意義。

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

為了培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)性學(xué)習(xí)液力傳動知識，在對液力元件內(nèi)部流場進(jìn)行光學(xué)測量和分析的基礎(chǔ)上，擬對現(xiàn)有液力元件葉片進(jìn)行仿生學(xué)改進(jìn)，并通過流體機(jī)械固定元件壓降性能實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行減阻效果評估，進(jìn)而提高液力元件的效率。發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源優(yōu)勢，促進(jìn)本科生了解先進(jìn)科學(xué)技術(shù)與研究方法的滲透與融合，將液力傳動與自動變速這一研究方向與仿生學(xué)相結(jié)合，培養(yǎng)本科生創(chuàng)新實(shí)踐能力與學(xué)科交叉的能力和意識。

1、讓學(xué)生了解葉輪機(jī)械流場光學(xué)測量技術(shù)和方法，為學(xué)生提供一個先進(jìn)的綜合性流場測量平臺，在該平臺上學(xué)生可以完成測量實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計、機(jī)構(gòu)組裝、參數(shù)調(diào)試和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。通過該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生建立理論分析與工程設(shè)計的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計意識，鍛煉學(xué)生動手設(shè)計實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理的能力。

2、對現(xiàn)有液力元件的葉片進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計新型仿生葉片，并通過流體機(jī)械固定元件壓降性能實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行減阻效果評估。有利于學(xué)生掌握液力傳動的基礎(chǔ)知識，對液力元件內(nèi)部的真實(shí)流動狀態(tài)、葉片表面流體的速度分布、液力元件的能量損失等有更加深刻的認(rèn)識與理解。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1、PIV實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建后，通過采集不同工況、不同轉(zhuǎn)速的液力元件的內(nèi)流場及相關(guān)圖像，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理及分析，得到液力元件的內(nèi)部流動狀態(tài)。

2、通過PIV實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)，對現(xiàn)有液力元件的光滑葉片進(jìn)行仿生葉片設(shè)計，進(jìn)而提升液力元件葉片的減阻性能，提高液力元件的效能。

3、流體機(jī)械固定元件壓降性能測試實(shí)驗(yàn)平臺搭建后，將光滑葉片與仿生葉片進(jìn)行相同條件下的壓降性能測試和對比，得到設(shè)計的仿生葉片的減阻效果，總結(jié)減阻機(jī)理。

三、總體思路

學(xué)生在學(xué)習(xí)了液力傳動的相關(guān)理論知識后，進(jìn)行“葉輪機(jī)械非定常流場結(jié)構(gòu)的光學(xué)測量實(shí)驗(yàn)”，主要分5個步驟：

1、學(xué)生進(jìn)行光學(xué)測量實(shí)驗(yàn)臺的搭建；

2、利用實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行圖像采集與數(shù)據(jù)分析；

3、對現(xiàn)有液力元件的葉片進(jìn)行仿生改進(jìn)；

4、對改進(jìn)的葉片進(jìn)行壓降性能測試與分析；

5、如果改進(jìn)后的液力元件效能未提升，則重新設(shè)計仿生葉片后進(jìn)行測試與分析，直至達(dá)到目的；最后對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，并撰寫實(shí)驗(yàn)報告。

本實(shí)驗(yàn)的總體思路如圖1所示：

圖1 總體思路

綜上，本實(shí)驗(yàn)的總體思路為學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)測得樣機(jī)數(shù)據(jù)后，對結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，最后總結(jié)并撰寫實(shí)驗(yàn)報告。

四、實(shí)施方案

結(jié)合本實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況，下面給出了實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)方法。

1、光學(xué)測量實(shí)驗(yàn)臺搭建

學(xué)生首先搭建光學(xué)測量實(shí)驗(yàn)臺，即粒子圖像測速PIV實(shí)驗(yàn)臺。PIV實(shí)驗(yàn)臺采用兩個時間間隔很短的兩個脈沖光源照亮所需要測量的液力元件流場，利用CCD相機(jī)將所照明的流場中的示蹤粒子記錄下來，利用計算機(jī)進(jìn)行圖象處理得到速度場的信息。實(shí)驗(yàn)臺主要由機(jī)械系統(tǒng)、流場照明系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、圖像采集及顯示系統(tǒng)5部分組成，實(shí)驗(yàn)臺組成如圖2所示。

圖2 PIV實(shí)驗(yàn)臺

機(jī)械系統(tǒng)主要包括聯(lián)軸器、三相異步電動機(jī)和加載裝置；流場照明系統(tǒng)為雙脈沖激光器，用于發(fā)射激光片光源；測量系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)速計、米尺等工具；圖像采集系統(tǒng)為CCD相機(jī)，用于采集目標(biāo)流場內(nèi)的粒子運(yùn)動軌跡；顯示系統(tǒng)為嵌入圖像處理系統(tǒng)的便攜式計算機(jī)，圖像處理系統(tǒng)依次對兩次采集的圖像進(jìn)行相關(guān)預(yù)處理，相關(guān)性分析和后處理，從中計算出整個流場的速度矢量。

2、圖像采集與數(shù)據(jù)分析

學(xué)生通過搭建的PIV實(shí)驗(yàn)臺，可以得到不同轉(zhuǎn)速、不同工況的液力元件的內(nèi)部流體的運(yùn)動軌跡及內(nèi)流場的分布狀態(tài)。從而得到內(nèi)流場的瞬態(tài)流動特性及復(fù)雜流動現(xiàn)象，如漩渦流動、脫流、二次流等。通過數(shù)據(jù)采集和分析，學(xué)生可找出由于能量消耗而降低效率的區(qū)域。

3、對葉輪機(jī)械元件葉片進(jìn)行仿生改進(jìn)

仿生學(xué)為葉片邊界層流動控制提供了很多學(xué)習(xí)的樣本。游速較快的水生動物，如魚類、海豚，具有優(yōu)異的流動減阻功能。生物能夠?qū)崿F(xiàn)高效的減阻，往往是由幾種減阻的方式耦合而成的?；凇胺律詈显O(shè)計”的概念，可將魚體的流線型形態(tài)、仿生非光滑表面、微-納疏水結(jié)構(gòu)等仿生耦元進(jìn)行耦合，設(shè)計多元耦合仿生類魚體液力元件。學(xué)生在設(shè)計好仿生葉片后，進(jìn)行樣件加工，加工的樣件如圖3所示。

通過仿生葉片的設(shè)計和加工，學(xué)生可了解到仿生學(xué)科在工程中的具體應(yīng)用，并可通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

4、壓降性能測試與分析

在對設(shè)計的液力元件仿生葉片與光滑葉片的壓降性能進(jìn)行對比過程中，利用了自主研制的流體機(jī)械固定元件壓降性能測試實(shí)驗(yàn)平臺。本實(shí)驗(yàn)臺主要由一個充滿液力傳動油的封閉循環(huán)管路組成。通過額定功率0.37KW、額定轉(zhuǎn)速1400r/min的調(diào)速電機(jī)帶動齒輪泵運(yùn)動，將油箱里的液壓油泵入到封閉管路當(dāng)中，對密封艙內(nèi)的葉片樣件進(jìn)行沖擊，最后液壓油通過管路回流進(jìn)油箱。在整個循環(huán)過程中，系統(tǒng)會形成流量與壓力穩(wěn)定的均勻流場。自主研制的壓降性能測試實(shí)驗(yàn)臺如圖4所示。

圖3 液力元件光滑葉片與仿生葉片

圖4 自主研制的壓降性能測試實(shí)驗(yàn)平臺

本實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行壓降性能測試的步驟如下：

（1）在初始狀態(tài)時，密封倉內(nèi)無葉片樣件、無液壓油。

（2）啟動平臺上的調(diào)速電機(jī)，電機(jī)帶動齒輪泵進(jìn)行工作，整個循環(huán)系統(tǒng)處于充液狀態(tài)。開啟密封倉端蓋上的通氣閥門，當(dāng)通氣孔處有均勻液壓油流出時，說明油液已經(jīng)注滿整個密封倉。然后，立刻關(guān)閉通氣閥門，待循環(huán)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)后開始采集數(shù)據(jù)。采集得到的密封倉的壓降值，用于對測試得到的各種工況的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，進(jìn)而確保實(shí)驗(yàn)過程中傳感器采集得到的壓差值即為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ彤a(chǎn)生的壓降。

（3）以上校驗(yàn)工作完成后，切斷調(diào)速電機(jī)電源，將加工好的液力元件葉片樣件通過螺桿固定在密封倉內(nèi)。利用變頻器改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時配合調(diào)節(jié)控制閥，以此得到各個不同工況下的進(jìn)口與出口油壓值，然后改變?nèi)~片樣件與進(jìn)油口間的角度，模擬出葉片樣件各個工況的實(shí)際工作環(huán)境。

①將液力元件光滑葉片樣件固定在密封倉內(nèi)進(jìn)行壓降測試，將采集到的進(jìn)口與出口油壓值與仿真軟件計算數(shù)據(jù)做對比，二者誤差控制在5%以內(nèi)。

②在所有條件都不改變的情況下，用仿生葉片樣件代替光滑葉片樣件進(jìn)行壓降測試。由此，保證了仿生葉片與光滑葉片的壓降測試實(shí)驗(yàn)是在相同環(huán)境下進(jìn)行的。

通過液力元件葉片表面的壓降測試實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以直觀的得到設(shè)計的仿生葉片的減阻效果，在此基礎(chǔ)上，與光滑葉片的減阻效果進(jìn)行對比，即可得出結(jié)論。如果改進(jìn)后的液力元件效能未提升，則重新設(shè)計仿生葉片后進(jìn)行測試與分析，直至達(dá)到目的。

5、撰寫實(shí)驗(yàn)報告

學(xué)生在完成整個實(shí)驗(yàn)后，總結(jié)歸納減阻機(jī)理，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)報告的撰寫。

五、總結(jié)

葉輪機(jī)械非定常流場結(jié)構(gòu)的光學(xué)測量實(shí)驗(yàn)是基于液力傳動課程設(shè)置的開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項目。在讓學(xué)生了解液力元件內(nèi)部流動狀態(tài)及機(jī)理的基礎(chǔ)上，引入了仿生學(xué)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，進(jìn)行了交叉學(xué)科的融合，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科交叉意識及動手能力，達(dá)到創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的最終目的。

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