基于葉輪機械非定常流場結構的光學測量實驗的教學模式探索

袁 哲 徐 飛 劉春寶

（吉林大學機械科學與工程學院，吉林 長春 130022）

“葉輪機械非定常流場結構的光學測量實驗”是吉林大學本科生開放性創(chuàng)新實驗中的一個實驗項目。葉輪機械的工作性能受其內部復雜流場結構的影響。通過葉輪機械非定常流場結構的光學測量實驗可以實現(xiàn)葉輪機械內部流動可視化，從本質上認識葉輪機械內部復雜的非定常流動現(xiàn)象，揭示不同工況下流場結構的演變過程，建立葉輪機械能量轉化與耗損理論體系?；诠鈱W技術實現(xiàn)葉輪機械流場結構的測量對于深入研究葉輪機械內部非定常流動機理具有重要理論研究意義，對于葉輪機械性能改進和結構優(yōu)化設計具有重要工程意義。

一、實驗目的

為了培養(yǎng)學生的系統(tǒng)性學習液力傳動知識，在對液力元件內部流場進行光學測量和分析的基礎上，擬對現(xiàn)有液力元件葉片進行仿生學改進，并通過流體機械固定元件壓降性能實驗臺進行減阻效果評估，進而提高液力元件的效率。發(fā)揮實驗教學資源優(yōu)勢，促進本科生了解先進科學技術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相結合，培養(yǎng)本科生創(chuàng)新實踐能力與學科交叉的能力和意識。

1、讓學生了解葉輪機械流場光學測量技術和方法，為學生提供一個先進的綜合性流場測量平臺，在該平臺上學生可以完成測量實驗的方案設計、機構組裝、參數調試和實驗結果分析。通過該實驗使學生建立理論分析與工程設計的聯(lián)系，培養(yǎng)學生的工程設計意識，鍛煉學生動手設計實驗和數據處理的能力。

2、對現(xiàn)有液力元件的葉片進行優(yōu)化，設計新型仿生葉片，并通過流體機械固定元件壓降性能實驗臺進行減阻效果評估。有利于學生掌握液力傳動的基礎知識，對液力元件內部的真實流動狀態(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識與理解。

二、實驗內容

1、PIV實驗系統(tǒng)搭建后，通過采集不同工況、不同轉速的液力元件的內流場及相關圖像，對采集數據進行后處理及分析，得到液力元件的內部流動狀態(tài)。

2、通過PIV實驗采集的數據，對現(xiàn)有液力元件的光滑葉片進行仿生葉片設計，進而提升液力元件葉片的減阻性能，提高液力元件的效能。

3、流體機械固定元件壓降性能測試實驗平臺搭建后，將光滑葉片與仿生葉片進行相同條件下的壓降性能測試和對比，得到設計的仿生葉片的減阻效果，總結減阻機理。

三、總體思路

學生在學習了液力傳動的相關理論知識后，進行“葉輪機械非定常流場結構的光學測量實驗”，主要分5個步驟：

1、學生進行光學測量實驗臺的搭建；

2、利用實驗臺進行圖像采集與數據分析；

3、對現(xiàn)有液力元件的葉片進行仿生改進；

4、對改進的葉片進行壓降性能測試與分析；

5、如果改進后的液力元件效能未提升，則重新設計仿生葉片后進行測試與分析，直至達到目的；最后對實驗結果進行總結，并撰寫實驗報告。

本實驗的總體思路如圖1所示：

圖1 總體思路

綜上，本實驗的總體思路為學生通過實驗測得樣機數據后，對結果進行優(yōu)化，最后總結并撰寫實驗報告。

四、實施方案

結合本實驗的實際情況，下面給出了實驗步驟和實驗方法。

1、光學測量實驗臺搭建

學生首先搭建光學測量實驗臺，即粒子圖像測速PIV實驗臺。PIV實驗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相機將所照明的流場中的示蹤粒子記錄下來，利用計算機進行圖象處理得到速度場的信息。實驗臺主要由機械系統(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，實驗臺組成如圖2所示。

圖2 PIV實驗臺

機械系統(tǒng)主要包括聯(lián)軸器、三相異步電動機和加載裝置；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)包括轉速計、米尺等工具；圖像采集系統(tǒng)為CCD相機，用于采集目標流場內的粒子運動軌跡；顯示系統(tǒng)為嵌入圖像處理系統(tǒng)的便攜式計算機，圖像處理系統(tǒng)依次對兩次采集的圖像進行相關預處理，相關性分析和后處理，從中計算出整個流場的速度矢量。

2、圖像采集與數據分析

學生通過搭建的PIV實驗臺，可以得到不同轉速、不同工況的液力元件的內部流體的運動軌跡及內流場的分布狀態(tài)。從而得到內流場的瞬態(tài)流動特性及復雜流動現(xiàn)象，如漩渦流動、脫流、二次流等。通過數據采集和分析，學生可找出由于能量消耗而降低效率的區(qū)域。

3、對葉輪機械元件葉片進行仿生改進

仿生學為葉片邊界層流動控制提供了很多學習的樣本。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。生物能夠實現(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-納疏水結構等仿生耦元進行耦合，設計多元耦合仿生類魚體液力元件。學生在設計好仿生葉片后，進行樣件加工，加工的樣件如圖3所示。

通過仿生葉片的設計和加工，學生可了解到仿生學科在工程中的具體應用，并可通過實驗進行驗證。

4、壓降性能測試與分析

在對設計的液力元件仿生葉片與光滑葉片的壓降性能進行對比過程中，利用了自主研制的流體機械固定元件壓降性能測試實驗平臺。本實驗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、額定轉速1400r/min的調速電機帶動齒輪泵運動，將油箱里的液壓油泵入到封閉管路當中，對密封艙內的葉片樣件進行沖擊，最后液壓油通過管路回流進油箱。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驗臺如圖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驗平臺

本實驗臺進行壓降性能測試的步驟如下：

（1）在初始狀態(tài)時，密封倉內無葉片樣件、無液壓油。

（2）啟動平臺上的調速電機，電機帶動齒輪泵進行工作，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，當通氣孔處有均勻液壓油流出時，說明油液已經注滿整個密封倉。然后，立刻關閉通氣閥門，待循環(huán)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)后開始采集數據。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驗數據進行修正，進而確保實驗過程中傳感器采集得到的壓差值即為實驗模型產生的壓降。

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

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

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驗是在相同環(huán)境下進行的。

通過液力元件葉片表面的壓降測試實驗，學生可以直觀的得到設計的仿生葉片的減阻效果，在此基礎上，與光滑葉片的減阻效果進行對比，即可得出結論。如果改進后的液力元件效能未提升，則重新設計仿生葉片后進行測試與分析，直至達到目的。

5、撰寫實驗報告

學生在完成整個實驗后，總結歸納減阻機理，進行實驗報告的撰寫。

五、總結

葉輪機械非定常流場結構的光學測量實驗是基于液力傳動課程設置的開放性創(chuàng)新實驗項目。在讓學生了解液力元件內部流動狀態(tài)及機理的基礎上，引入了仿生學的實驗環(huán)節(jié)，進行了交叉學科的融合，進而培養(yǎng)學生的學科交叉意識及動手能力，達到創(chuàng)新性實驗的最終目的。

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