【摘要】：液力偶合器是主要依靠工作液體的動能來傳遞和實現(xiàn)能量變換的液力元件。液力偶合器作為傳動元件廣泛應用在車輛傳動、大慣性設備的啟動和大功率調(diào)速驅(qū)動方面。在國民經(jīng)濟眾多領域中液力偶合器具有廣泛的應用前景。液力偶合器內(nèi)部的流動是一種極其復雜的非定常三維流動，其內(nèi)部流動特性決定了液力偶合器的外部性能。加強液力偶合器內(nèi)部流場的特性研究對于提高液力偶合器的工作性能，保證其運行安全性和可靠性具有極其重要的意義。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，流動可視化技術在研究流體機械內(nèi)部流動方面取得了巨大的進展。通過流動可視化方法能夠直觀地觀察液力偶合器內(nèi)部流動全貌和流速特征，能夠定性地分析液力偶合器內(nèi)部流場分布并對流動參數(shù)進行識別與定量提取。同時，流動可視化與流動參數(shù)識別結(jié)果能夠為液力偶合器內(nèi)部流場的理論數(shù)值計算提供檢驗依據(jù)。為了逐步完善液力偶合器現(xiàn)代設計方法，必須通過流動可視化這一有力手段開展液力偶合器內(nèi)部流動規(guī)律的研究，對其內(nèi)部流速進行識別，進而深入研究液力偶合器的流場狀態(tài)變化。粒子圖像測速技術（Particle Image Velocimetry，簡稱PIV）是一種全新的無擾、瞬態(tài)、全流場速度測量的流動可視化方法。它不僅能夠顯示流體流場、流動的物理形態(tài)，而且能夠提供瞬時全場流動的定量信息。由于PIV在流體機械流場測量方面具有很多優(yōu)點，所以在液力元件內(nèi)部流動可視化研究中，PIV成為主要的一種研究方法，并得到廣泛的應用。 本文結(jié)合國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）專題課題“大型泵與風機液力調(diào)速節(jié)能關鍵技術研究”（2007AA05Z256），論文圍繞液力偶合器內(nèi)部流動可視化方法，，基于粒子圖像測速技術開展液力偶合器內(nèi)部流動可視化和流速識別方法研究，通過數(shù)字圖像處理技術，并結(jié)合單幀圖像PTV算法和連續(xù)幀圖像的PIV互相關算法，識別并提取了液力偶合器二維切面流場上的流動速度矢量，實現(xiàn)了液力偶合器內(nèi)部二維切面流場可視化與流速的量化。本文的研究內(nèi)容主要有以下幾個方面： 1.液力偶合器內(nèi)部流動可視化 基于粒子圖像測速技術實現(xiàn)液力偶合器內(nèi)部流動可視化。在設計工況（i=0.97）、中間工況（i=0.6）和制動工況（i=0）下，采集在不同粒子濃度下液力偶合器內(nèi)部流動圖像，可視化液力偶合器內(nèi)部流場，直接觀察到所要研究流動區(qū)域上的流動現(xiàn)象和流動特征。通過對采集圖像進行圖像預處理，有效改善并提高了圖像質(zhì)量，使流場中示蹤粒子清晰易于識別，為后續(xù)流速識別與提取的研究工作奠定了基礎。 2.基于PTV技術的液力偶合器內(nèi)部流速識別方法 研究粒子跟蹤測速方法識別并提取液力偶合器內(nèi)部流速。在低粒子濃度下，基于PTV技術采集泵輪和渦輪內(nèi)部二維切面流場圖像，采用單幀三次曝光的方法記錄單個示蹤粒子在流場中三段不同長度的運動軌跡——箭頭、箭身和箭尾。通過圖像增強、閾值分割和圖像銳化進行動態(tài)圖像處理，有效識別并準確判斷了液力偶合器內(nèi)部流速方向，實現(xiàn)了流場可視化。研究了基于霍夫變換直線檢測理論在識別流速方向上的具體應用，實現(xiàn)了全流場流速方向的自動識別。運用Canny邊緣檢測算法，并引入雙閾值法有效地檢測出粒子運動軌跡的單像素邊緣，提取了粒子運動位移的大小，進而獲得液力偶合器內(nèi)部流速，實現(xiàn)了流速的量化。 流速識別的準確性和精度取決于標定。制造高精度標定盤貼附在液力偶合器外壁表面，標定盤上均勻分布有直徑2mm的圓孔。通過CCD相機采集圓孔圖像，經(jīng)過圖像處理檢測圖像上圓孔直徑大小，將該值與圓孔的實際直徑大小進行比較，獲得靜態(tài)圖像標定系數(shù)。當液力偶合器以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)工作時，CCD相機采集標定盤上圓孔的運動軌跡，通過角點檢測算法提取圖像上圓孔運動軌跡長度大小，將該值與理論計算下圓孔的運動軌跡長度進行比較，獲得動態(tài)圖像標定系數(shù)。通過靜態(tài)標定和動態(tài)標定，確定流動圖像上每個像素的大小，進而計算獲得液力偶合器內(nèi)部流場的速度大小。 3.基于PIV相關算法的液力偶合器內(nèi)部流速識別方法 研究粒子圖像測速方法提取液力偶合器內(nèi)部速度場。為了研究制動工況（i=0）下液力偶合器渦輪內(nèi)部復雜流場，在高粒子濃度下，通過PIV技術采集其內(nèi)部二維切面流場圖像。通過研究圖像連續(xù)幀的PIV互相關算法，基于圖像匹配的原則，計算了渦輪徑向切面二維流場速度的分布。通過比較圖像上兩點之間的距離大小與實際對應的距離大小，確定標定系數(shù)，獲得標定后流場速度。研究并分析了流場中錯誤速度矢量產(chǎn)生的原因，基于流場誤矢量的修正準則，剔除了錯誤速度矢量，優(yōu)化了PIV互相關計算后的速度場結(jié)果，實現(xiàn)了液力偶合器流場可視化與流速的量化，獲得流速分布圖譜，并在此基礎上詳細分析了渦輪內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)特征與分布規(guī)律。 4.試驗測試與仿真計算對比分析 對試驗測試結(jié)果與基于CFD仿真計算的結(jié)果進行對比分析。利用UG建立液力偶合器三維計算模型，對模型進行一定的簡化，抽取液力偶合器周期流道模型以進行內(nèi)部流場分析。將流道模型導入到ICEM-CFD軟件中，利用映射法對泵輪和渦輪流道模型進行規(guī)則的四面體網(wǎng)格劃分。設置湍流模型為標準k-ε模型，速度-壓力耦合算法為SIMPLE算法，離散格式為一階迎風格式，使用標準的壁面函數(shù)。通過滑移網(wǎng)格技術來模擬泵輪和渦輪之間的相對運動，計算了液力偶合器三維流場速度分布，截取泵輪和渦輪徑向、軸向剖面，剖面的位置與試驗測試中激光片光的位置保持一致。通過PIV試驗測試結(jié)果與CFD仿真計算結(jié)果進行對比分析，結(jié)果表明速度場分布保持一致，流速值大小相對接近，理論與試驗結(jié)果達到較好的統(tǒng)一。詳細分析了PIV試驗測試過程中誤差產(chǎn)生的原因，并給出了相應的解決方案。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TH137.331;TP391.41

【引證文獻】

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1 柴博森;劉春寶;王衛(wèi)東;;基于霍夫變換的液力變矩器泵輪內(nèi)部流速提取[J];排灌機械工程學報;2014年04期

相關博士學位論文 前1條

1 范麗丹;調(diào)速型液力偶合器熱流耦合與換熱系統(tǒng)研究[D];吉林大學;2013年

本文編號：2648844