基于DSP控制的水洞实验系统研制

论文摘要

针对低速实验流体力学与电磁流体流动控制实验的需要,本文采用基于DSP的控制平台研制了低湍流度水洞实验系统,该实验系统由水洞机械结构、电气设备和DSP控制系统组成。通过DSP平台系统的D／A通道输出连续可调的电压信号,控制三相调频器的交流输出频率,达到驱动磁力泵调速电机控制水洞实验段流体流动流速的目的；通过DSP控制系统输出脉冲周期可实时调整的方波信号,控制固态开关驱动电压源的电压输出到氢气泡流场显示装置的铂丝上,从而达到了在水洞实验段中实现流体流动流场结构显示与实验参数同步调控的目的。通过对水洞实验系统的整体结构分析和相关电磁流体流动控制实验的要求,采用-竖式机械结构设置密闭内循环水洞系统,以获得水洞实验段的相对稳定实验来流。水洞机械结构由压力段（含压力分散结构）、收缩段（含蜂窝整流结构）、实验段、尾流发散段与回流水箱构成,由三相可调速电机驱动密封性较好的磁力泵提供动力以驱动水流。水洞实验段的界面尺度为300mm×300mm,实验雷诺数可达到106数量级,湍流度可以控制在5%左右。采用TMS320F2812 （DSP芯片）来构建水洞实验与流场结构显示控制系统。编写上位机控制界面实现与下位机之间通讯,以便于灵活地改变实验参数,实现对水洞来流速度和氢气泡流场结构显示装置时间线频率的控制。通过DSP平台系统的D／A通道输出0～10v电压信号控制三相调频器的频率,使其对应频率的调控范围为0-500Hz；通过通用I／O口输出1Hz～100Hz的方波信号,控制固态继电器使电压源提供相应频率的氢气泡显示系统时间线以显示流场结构。经过实际使用表明,研制的低湍流度水洞实验系统满足了相关的流体动力学实验的需要。为了配合有关科研课题的研究工作,到目前为止在该实验系统上完成了圆柱绕流流场结构及其电磁力控制、翼型绕流流场结构与电磁力控制,以及电磁力控制流体边界层减阻等实验研究任务,取得了较好的实验研究结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图表目录
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 文献综述及研究现状
• 1.2.1 文献综述
• 1.2 2 研究现状
• 1.2.3 氢气泡显示法
• 1.3 本文的主要工作
• 2 水洞实验系统
• 2.1 水洞概述
• 2.1.1 水洞分类
• 2.1.2 水洞主要特点
• 2.1.3 水洞的主要性能指标
• 2.2 实验系统的组成
• 2.3 水洞及电气设备
• 2.3.1 压力段
• 2.3.2 水洞收缩段
• 2.3.3 实验段
• 2.3.4 水洞发散段
• 2.3.5 回流水箱
• 2.3.6 驱动装置
• 2.3.7 变频器
• 2.3.8 流场的建立
• 2.4 显示装置
• 2.4.1 示踪粒子
• 2.4.2 氢气泡发生装置
• 2.5 本章小节
• 3 控制系统
• 3.1 上位机程序
• 3.1.1 上位机结构及功能模块描述
• 3.1.2 串行通信接口
• 3.2 下位机程序设计
• 3.2.1 程序的功能描述
• 3.2.2 控制系统主程序的设计
• 3.2.3 串口通信模块的设计
• 3.3 D/A控制模块的设计
• 3.3.1 DAC7724
• 3.3.2 DAC7724控制信号译码
• 3.4 DSP控制程序实现
• 3.5 本章小节
• 4 实验系统的初步应用
• 4.1 氢气泡测速方法
• 4.2 不同变频器频率流速测试
• 4.3 攻角为7度的翼形绕流流场结构显示
• 4.3.1 雷诺数Re为8461时翼型绕流流场结构
• 4.3.2 雷诺数Re为6769时翼型绕流流场结构
• 4.3.3 雷诺数Re为5076时翼型绕流流场结构
• 4.4 攻角为14度的翼形绕流
• 4.4.1 雷诺数Re为5076时翼型绕流流场结构
• 4.4.2 雷诺数Re为6769时翼型绕流流场结构
• 4.4.3 雷诺数Re为8461时翼型绕流流场结构
• 4.5 实验分析
• 4.6 本章小节
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录1:主程序zmain.c
• Ev.c'>附录2:程序DSP28_Ev.c