【摘要】：液力偶合器是主要依靠工作液體的動(dòng)能來(lái)傳遞和實(shí)現(xiàn)能量變換的液力元件。液力偶合器作為傳動(dòng)元件廣泛應(yīng)用在車(chē)輛傳動(dòng)、大慣性設(shè)備的啟動(dòng)和大功率調(diào)速驅(qū)動(dòng)方面。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)眾多領(lǐng)域中液力偶合器具有廣泛的應(yīng)用前景。液力偶合器內(nèi)部的流動(dòng)是一種極其復(fù)雜的非定常三維流動(dòng)，其內(nèi)部流動(dòng)特性決定了液力偶合器的外部性能。加強(qiáng)液力偶合器內(nèi)部流場(chǎng)的特性研究對(duì)于提高液力偶合器的工作性能，保證其運(yùn)行安全性和可靠性具有極其重要的意義。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，流動(dòng)可視化技術(shù)在研究流體機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)方面取得了巨大的進(jìn)展。通過(guò)流動(dòng)可視化方法能夠直觀地觀察液力偶合器內(nèi)部流動(dòng)全貌和流速特征，能夠定性地分析液力偶合器內(nèi)部流場(chǎng)分布并對(duì)流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別與定量提取。同時(shí)，流動(dòng)可視化與流動(dòng)參數(shù)識(shí)別結(jié)果能夠?yàn)橐毫ε己掀鲀?nèi)部流場(chǎng)的理論數(shù)值計(jì)算提供檢驗(yàn)依據(jù)。為了逐步完善液力偶合器現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，必須通過(guò)流動(dòng)可視化這一有力手段開(kāi)展液力偶合器內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律的研究，對(duì)其內(nèi)部流速進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)而深入研究液力偶合器的流場(chǎng)狀態(tài)變化。粒子圖像測(cè)速技術(shù)（Particle Image Velocimetry，簡(jiǎn)稱(chēng)PIV）是一種全新的無(wú)擾、瞬態(tài)、全流場(chǎng)速度測(cè)量的流動(dòng)可視化方法。它不僅能夠顯示流體流場(chǎng)、流動(dòng)的物理形態(tài)，而且能夠提供瞬時(shí)全場(chǎng)流動(dòng)的定量信息。由于PIV在流體機(jī)械流場(chǎng)測(cè)量方面具有很多優(yōu)點(diǎn)，所以在液力元件內(nèi)部流動(dòng)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(yīng)用。 本文結(jié)合國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）專(zhuān)題課題“大型泵與風(fēng)機(jī)液力調(diào)速節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)研究”（2007AA05Z256），論文圍繞液力偶合器內(nèi)部流動(dòng)可視化方法，，基于粒子圖像測(cè)速技術(shù)開(kāi)展液力偶合器內(nèi)部流動(dòng)可視化和流速識(shí)別方法研究，通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)，并結(jié)合單幀圖像PTV算法和連續(xù)幀圖像的PIV互相關(guān)算法，識(shí)別并提取了液力偶合器二維切面流場(chǎng)上的流動(dòng)速度矢量，實(shí)現(xiàn)了液力偶合器內(nèi)部二維切面流場(chǎng)可視化與流速的量化。本文的研究?jī)?nèi)容主要有以下幾個(gè)方面： 1.液力偶合器內(nèi)部流動(dòng)可視化 基于粒子圖像測(cè)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)液力偶合器內(nèi)部流動(dòng)可視化。在設(shè)計(jì)工況（i=0.97）、中間工況（i=0.6）和制動(dòng)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(dòng)圖像，可視化液力偶合器內(nèi)部流場(chǎng)，直接觀察到所要研究流動(dòng)區(qū)域上的流動(dòng)現(xiàn)象和流動(dòng)特征。通過(guò)對(duì)采集圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理，有效改善并提高了圖像質(zhì)量，使流場(chǎng)中示蹤粒子清晰易于識(shí)別，為后續(xù)流速識(shí)別與提取的研究工作奠定了基礎(chǔ)。 2.基于PTV技術(shù)的液力偶合器內(nèi)部流速識(shí)別方法 研究粒子跟蹤測(cè)速方法識(shí)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(shù)采集泵輪和渦輪內(nèi)部二維切面流場(chǎng)圖像，采用單幀三次曝光的方法記錄單個(gè)示蹤粒子在流場(chǎng)中三段不同長(zhǎng)度的運(yùn)動(dòng)軌跡——箭頭、箭身和箭尾。通過(guò)圖像增強(qiáng)、閾值分割和圖像銳化進(jìn)行動(dòng)態(tài)圖像處理，有效識(shí)別并準(zhǔn)確判斷了液力偶合器內(nèi)部流速方向，實(shí)現(xiàn)了流場(chǎng)可視化。研究了基于霍夫變換直線檢測(cè)理論在識(shí)別流速方向上的具體應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了全流場(chǎng)流速方向的自動(dòng)識(shí)別。運(yùn)用Canny邊緣檢測(cè)算法，并引入雙閾值法有效地檢測(cè)出粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的單像素邊緣，提取了粒子運(yùn)動(dòng)位移的大小，進(jìn)而獲得液力偶合器內(nèi)部流速，實(shí)現(xiàn)了流速的量化。 流速識(shí)別的準(zhǔn)確性和精度取決于標(biāo)定。制造高精度標(biāo)定盤(pán)貼附在液力偶合器外壁表面，標(biāo)定盤(pán)上均勻分布有直徑2mm的圓孔。通過(guò)CCD相機(jī)采集圓孔圖像，經(jīng)過(guò)圖像處理檢測(cè)圖像上圓孔直徑大小，將該值與圓孔的實(shí)際直徑大小進(jìn)行比較，獲得靜態(tài)圖像標(biāo)定系數(shù)。當(dāng)液力偶合器以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)工作時(shí)，CCD相機(jī)采集標(biāo)定盤(pán)上圓孔的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)角點(diǎn)檢測(cè)算法提取圖像上圓孔運(yùn)動(dòng)軌跡長(zhǎng)度大小，將該值與理論計(jì)算下圓孔的運(yùn)動(dòng)軌跡長(zhǎng)度進(jìn)行比較，獲得動(dòng)態(tài)圖像標(biāo)定系數(shù)。通過(guò)靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)標(biāo)定，確定流動(dòng)圖像上每個(gè)像素的大小，進(jìn)而計(jì)算獲得液力偶合器內(nèi)部流場(chǎng)的速度大小。 3.基于PIV相關(guān)算法的液力偶合器內(nèi)部流速識(shí)別方法 研究粒子圖像測(cè)速方法提取液力偶合器內(nèi)部速度場(chǎng)。為了研究制動(dòng)工況（i=0）下液力偶合器渦輪內(nèi)部復(fù)雜流場(chǎng)，在高粒子濃度下，通過(guò)PIV技術(shù)采集其內(nèi)部二維切面流場(chǎng)圖像。通過(guò)研究圖像連續(xù)幀的PIV互相關(guān)算法，基于圖像匹配的原則，計(jì)算了渦輪徑向切面二維流場(chǎng)速度的分布。通過(guò)比較圖像上兩點(diǎn)之間的距離大小與實(shí)際對(duì)應(yīng)的距離大小，確定標(biāo)定系數(shù)，獲得標(biāo)定后流場(chǎng)速度。研究并分析了流場(chǎng)中錯(cuò)誤速度矢量產(chǎn)生的原因，基于流場(chǎng)誤矢量的修正準(zhǔn)則，剔除了錯(cuò)誤速度矢量，優(yōu)化了PIV互相關(guān)計(jì)算后的速度場(chǎng)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了液力偶合器流場(chǎng)可視化與流速的量化，獲得流速分布圖譜，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)分析了渦輪內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征與分布規(guī)律。 4.試驗(yàn)測(cè)試與仿真計(jì)算對(duì)比分析 對(duì)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與基于CFD仿真計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。利用UG建立液力偶合器三維計(jì)算模型，對(duì)模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，抽取液力偶合器周期流道模型以進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)分析。將流道模型導(dǎo)入到ICEM-CFD軟件中，利用映射法對(duì)泵輪和渦輪流道模型進(jìn)行規(guī)則的四面體網(wǎng)格劃分。設(shè)置湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)格式，使用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)。通過(guò)滑移網(wǎng)格技術(shù)來(lái)模擬泵輪和渦輪之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，計(jì)算了液力偶合器三維流場(chǎng)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(yàn)測(cè)試中激光片光的位置保持一致。通過(guò)PIV試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與CFD仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明速度場(chǎng)分布保持一致，流速值大小相對(duì)接近，理論與試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到較好的統(tǒng)一。詳細(xì)分析了PIV試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中誤差產(chǎn)生的原因，并給出了相應(yīng)的解決方案。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類(lèi)號(hào)】：TH137.331;TP391.41

【引證文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2648844