实验仪器和装置方案设计

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1、实验仪器和装置方案设计本章主要介绍了实验的设备及其原理，实验装置的设计及改造，对微脉动原始信号的提取，鉴别做了介绍。1.1实验仪器1.1.1实验风洞本实验在低湍流三维直流式风洞进行，如图2-1所示，湍流度为0.3%,能保证湍流研究实验的可靠性。风洞的收缩段分为两段，第一段收缩比为5.2,第二段收缩比为4,总收缩比20.8O风洞实验段的长度应根据实验模型的要求而定。实验段截面为300mniX300mm，长度为1000mm，满足实验段长度在1.75〜3.0实验段直径的耍求测图2-1三维低湍流度风洞动力方面，采用ABB公司的ACS802变频器。表2—1是电机转速，风速，雷诺数对应表

2、。电机转速（rad/s）风速（m/s）雷诺数（双圆柱计算）49610.14114527X10321031.05X10128141.4X10434551.8X10438762.1X10443172.5X10446982.8X10449793.1X104表2-1电机转速，风速，雷诺数对应表1.1.2动态应变仪和数据采集仪脉动压力是流体力学实验中的一个重要测量对象。对所测对象进行多点的瞬时脉动压力测量，再对所测脉动压力做面枳加权枳分，就能够得到所测对象受到的气脉动力。在这里有两个关键，一是如何测得瞬时脉动压力，二是如何保证测得脉动压力的同步性。对于第一个关键，本实验通过微应变片的方

3、法测量。微应变片信号的测量需要通过电阻应变仪来实现。电阻应变仪器可分为静态应变仪和动态应变仪两种。静态电阻应变仪用以测量静态载荷下的应变，以及变化十分缓慢或变化后能很快稳定下来的应变。动态电阻应变仪用以测量频率变化很快的动态应变。针对木实验流场中信号变化快速的特点，采用的是YF-3型动态应变仪，频响为50KHz,信噪比不低于45dBo动态应变仪工作原理图2—3所示。图2-2动态应变仪工作原理对于同步性的关键，也就是如何保证上下圆柱体信号采集的同步性。对此本实验采用了八套YF-3型动态应变仪并经WS-5921/U6型数据采集器，该采集器最多可同步并行采集32个通道的信号，其A/

4、D最大转换频率为500KHZ,A/D分辨率为图2-3八套YF-3型动态应变仪及WS-5921/U6型数据采集器1.1.3热线风速仪对于流速的脉动测量技术，一般有激光多普勒测速与热线测速两种方法。但对丁流速脉动信号的测量，热线测速仪较激光多普勒测速仪更为常用，热线风速仪是将流速信号转变为电信号的一种测速仪器，也可测量流体温度或密度。其原理是：将一根通电加热的细金属丝（称热线）置于气流屮，热线在气流屮的散热量与流速有关，而散热量导致热线温度变化而引起电阻变化，流速信号即转变成电信号。热线风速仪具有探头体积小，对流场干扰小；响应快，可进行非定常流速的测量；并能测量很低的流速（最低可

5、达0.3米/秒）等优点。热线风速仪的工作原理如图2-4所示。NDconverter图2-4热线风速仪工作原理实验的流速脉动的测量采用DantecStreamline热线风速仪，三个55P11型一维热线探头进行同步测量。图2-5DantecStreamline三通道热线风速仪1.1.4高速集群计算机实验同步测量前后进行了4次，共计测量了99个工况，同步采样频率为lOKHz,其中气体每个工况有48X2个采样点，每个采样点包含三个探头的采集数据。固体每个工况有8X13个采样点。而每个采样点乂以131072个采样点作为一组基本采集样本，所测数据量很大，后期处理上需要大流量的计算，实验

6、中的数据处理采用了集群计算的方法。集群计算是指在并行机上，将一个应用分解成多个子任务，分配给不同的处理器，各个处理器Z间相互协同，并行地执行了任务，从而达到加速求解速度的目的。图2-6曙光高速集群计算机本实验使用的是实验室中的曙光公司的4000L高性能集群计算机，设备为：1个管理节点，16X8核运算节点（2XTntel5345四核CPU）。1.2实验装置设计及改造1.2.1风洞的改造本实验对风洞原有工作段进行了改造，顶盖设计成图2-7,可沿工作段进行三维方向移动热线支架，便于沿流向移动测量可进行流场的流速脉动气体的动力学行为分析。图2-7风洞顶盖图1.2.2固体装置的设计为了

7、调节两圆柱之间的距离，本实验设计了使用千分尺进行调节的装置，务求确保圆柱Z间距离的精确。实验圆柱里面安装有轴承，可精确的调节圆柱旋转角度，同时通过卡槽卡住旋转齿轮，确保上下圆对应测点一直保持相应的测点位置。图2-8圆柱调节用千分尺图2-9圆柱旋转装置1.2.3气体支架的设计为了进行同步测量脉动气休，实验设计了可同步运动的位移支架，并将支架安装在游标卡尺上，以确保移动的精度，见图2-10所示。图2-10气休位移支架1.3实验同步信号的采集技术柱固体的信号采集技术1.3.1.1应变片的粘贴技术电阻应变片工作