CN103267622B - 一种荧光油流摩擦力场测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种荧光油流摩擦力场测量装置，包括CCD摄相机、LED光源、计算机、试验用风洞和喷涂设备；喷涂设备由喷枪和高压气源组成，高压气源为氮气源；CCD摄相机和LED光源分别装设在试验用风洞的观察窗外，且LED光源与能照射到设置在试验用风洞内的模型试验件上，CCD摄相机能有效摄取模型试验件的图像信息；LED光源通过导线与外设电源连接，CCD摄相机的信息输出端通过cat6网线与计算机的对应接口连接，喷枪的介质入口通过管路与高压气源的介质出口连接。本发明能使模型表面的涂料分布较均匀，能够在流场作用下尽快达到稳定状态，减少模型加工的环节和费用，大大减少测量成本，并且减少测量设备对模型表面流场的影响。
Description
技术领域
本发明属于风洞试验模型表面相对摩擦力场测量装置。
背景技术
飞行器阻力一直是空气动力学研究的难点和热点之一，由表面摩擦阻力、诱导阻力、压差阻力和干扰阻力等构成，表面摩擦阻力是其中一项重要的阻力源。
摩擦阻力是最重要和测量最困难的流体流动参数之一。目前，用于模型表面摩擦力测量的技术基本上是基于单点测量的技术，这类方法无法提供全局的摩擦阻力；此外，如油膜干涉测量技术、液晶摩阻测量技术等，虽然可以得到局部连续摩擦力场，但碍于其繁琐复杂的校准过程，使得其无法在风洞试验中得以推广，对型号研制无法提供有效的支持。
发明内容
本发明的一个目的，是提供一种荧光油流摩擦力场测量装置，本发明的另一个目的，是提供一种荧光油流摩擦力场的测量方法。
一种荧光油流摩擦力场测量装置，包括CCD摄相机、LED光源、计算机、喷涂设备和试验用风洞。CCD摄相机和LED光源分别装设在试验用风洞的观察窗外，且LED光源能照射到安装在试验用风洞内的模型试验件上，CCD摄相机能对装设在试验用风洞内的模型试验件作有效摄像。LED光源通过导线与外设电源连接，CCD摄相机的信息输出端通过导线与计算机的对应接口连接。喷涂设备包括喷枪和高压气源，喷枪的介质入口通过管路与高压气源的介质出口连接，高压气源为氮气源。
一种荧光油流摩擦力场的测量方法，包括下述步骤：
1、试验前，将模型试验件安装在试验用风洞内，并用丙酮或者乙醇等清洁模型表面；
2、安装，固定CCD摄相机和LED光源于待测区域上方，即试验用风洞的观察窗外（对于闭口试验段，需要根据观察窗的位置调整模型姿态角和采集系统的位置）；
3、调节LED光源的照射范围和CCD摄相机的视角，使之能覆盖观察区，并调节CCD摄相机的镜头、光圈、焦距、曝光时间等参数，使得到的图像能够清晰表征观察区域；
4、利用喷涂设备的喷枪和装有氮气的高压气源，将涂料均匀喷涂在模型试验件的表面上，喷涂时打开LED光源，涂料受到LED光源的照射，在激发状态下辐射出黄光波段的荧光，同时校正喷涂操作，完成喷涂；
5、喷涂完成后，通知已知的风洞控制系统，开始吹风试验，发射黄色荧光的涂料在风洞来流剪切作用下，在模型试验件的表面连续流动，CCD摄相机记录下荧光油膜在模型试验件表面流动过程和分布情况，并将摄取的信息送给计算机存储起来，记录流量是流量稳定时的帧数位置以及结束吹风时的帧数位置。
6、利用已知的光学流动算法对试验所得的图像进行处理，从而得到模型表面观察区域的摩擦力场分布。
荧光油流摩擦力场测量原理是：
模型表面的涂料受到LED光源的激发，示踪粒子受到来流与表面剪切力的作用在模型表面流动，高速CCD记录下这一流动过程。示踪粒子的分布和运动情况与其在模型表面受到的剪切力直接相关，通过对多帧相邻图像的光学流动算法运算，从而得到模型表面的摩擦力场分布情况。
根据动量方程和质量守恒，以及示踪粒子荧光辐射强度与油膜厚度之间的正比关系，得到摩擦力计算式。根据机器视觉领域的光学流动算法，对该摩擦力算法是进行归一化转换，然后采用中心差分格式进行误差迭代计算，最终得到表面相对摩擦力分布结果。
本发明的优点是：
1本套装置采用空气喷枪进行涂料分布操作，使得模型表面的涂料分布较均匀，能够在流场作用下尽快达到稳定状态；
2使用高分辨率高速CCD实时记录涂料流动过程，实现模型表面视域内连续摩擦力场的测量；
3非接触式摩擦力场测量手段，减少模型加工的环节和费用，大大减少测量成本，并且减少测量设备对模型表面流场的影响。
附图说明
图1是本发明的荧光油流摩擦力场测量装置示意图。
图2是在模型试验件上喷涂示意图。
具体实施方式
一种荧光油流摩擦力场测量装置，包括CCD摄相机4、LED光源5、计算机6、试验用风洞7和喷涂设备；
喷涂设备由喷枪1和高压气源2组成，高压气源为氮气源；
CCD摄相机4和LED光源5分别装设在试验用风洞7的观察窗外，且LED光源与能照射到设置在试验用风洞7内的模型试验件3上，CCD摄相机4能有效摄取模型试验件3的图像信息；LED光源5通过导线与外设电源连接，CCD摄相机4的信息输出端通过cat6网线与计算机6的对应接口连接，喷枪1的介质入口通过管路与高压气源2的介质出口连接。
一种荧光油流摩擦力场的测量方法，包括下述步骤：
1、试验前，将模型试验件3安装在试验用风洞7内，并用丙酮或者乙醇等清洁模型表面；
2、安装：固定CCD摄相机4和LED光源5于待测区域上方，即试验用风洞3的观察窗外；
3、调节LED光源5的照射范围和CCD摄相机4的视角，使之能覆盖观察区，并调节CCD摄相机4的镜头、光圈、焦距、曝光时间参数，使得到的图像能够清晰表征观察区域；
4、利用喷涂设备的喷枪1和装有氮气的高压气源2，将涂料8均匀喷涂在模型试验件3的表面上，喷涂时打开LED光源5，涂料8受到LED光源5的照射，在激发状态下辐射出黄光波段的荧光，同时校正喷涂操作，完成喷涂；
5、喷涂完成后，通知已知的风洞控制系统，开始吹风试验，发射黄色荧光的涂料在风洞来流剪切作用下，在模型试验件3的表面连续流动，CCD摄相机4记录下荧光油膜在模型试验件3表面流动过程和分布情况，并将摄取的信息送给计算机6存储起来，记录流量是流量稳定时的帧数位置以及结束吹风时的帧数位置。
6、利用已知的光学流动算法对试验所得的图像进行处理，从而得到模型表面观察区域的摩擦力场分布。
Claims (2)
1.一种荧光油流摩擦力场测量装置，包括CCD摄相机(4)、LED光源(5)、计算机(6)、试验用风洞(7)和喷涂设备；其特征在于：
喷涂设备由喷枪(1)和高压气源(2)组成，高压气源为氮气源；
CCD摄相机(4)和LED光源(5)分别装设在试验用风洞(7)的观察窗外，且LED光源能照射到设置在试验用风洞(7)内的模型试验件(3)上，CCD摄相机(4)能有效摄取模型试验件(3)的图像信息；LED光源(5)通过导线与外设电源连接，CCD摄相机(4)的信息输出端通过cat6网线与计算机(6)的对应接口连接，喷枪(1)的介质入口通过管路与高压气源(2)的介质出口连接。
2.一种荧光油流摩擦力场的测量方法，其特征是包括下述步骤：
①试验前，将模型试验件(3)安装在试验用风洞(7)内，并用丙酮或者乙醇清洁模型表面；
②安装：固定CCD摄相机(4)和LED光源(5)于待测区域上方，即试验用风洞(7)的观察窗外；
③调节LED光源(5)的照射范围和CCD摄相机(4)的视角，使之能覆盖观察区，并调节CCD摄相机(4)的镜头、光圈、焦距、曝光灯时间参数，使得到的图像能够清晰表征观察区域；
④利用喷涂设备的喷枪(1)和装有氮气的高压气源(2)，将涂料(8)均匀喷涂在模型试验件(3)的表面上，喷涂时打开LED光源(5)，涂料(8)受到LED光源(5)的照射，在激发状态下辐射出黄光波段的荧光，同时校正喷涂操作，完成喷涂；
⑤喷涂完成后，通知风洞控制系统，开始吹风试验，发射黄色荧光的涂料在风洞来流剪切作用下，在模型试验件(3)的表面连续流动，CCD摄相机(4)记录下荧光油膜在模型试验件(3)表面流动过程和分布情况，并将摄取的信息送给计算机(6)存储起来，记录流量是流量稳定时的帧数位置以及结束吹风时的帧数位置；
⑥利用已知的光学流动算法对试验所得的图像进行处理，从而得到模型表面观察区域的摩擦力场分布。
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