CN105973562A - 一种用于油流显示风洞试验的采集与测量方法 - Google Patents

一种用于油流显示风洞试验的采集与测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于油流显示风洞试验的采集与测量方法，图像标定和测量依靠准备的标定模板，通过图像处理对表面油流照片进行定量标定，实现了高精度、数字化采集与定量分析流场表面流动情况；本发明的图像采集装置基于全新的数字化采集技术，包括多台采集设备，分别置于不同位置，可多方向得到图像信息，利于多角度显示表面流动结构，光源的位置和角度可通过调整灯架和底座的位置和角度适当调整。

Description

一种用于油流显示风洞试验的采集与测量方法
技术领域
本发明涉及一种用于油流显示风洞试验的采集与测量方法，属于流动显示技术领域。
背景技术
油流显示技术是流动显示领域中的一项关键技术，其应用于风洞试验中，用于显示模型表面流动区域和结构形态。它对复杂的流动，特别是对各种形式的分离流动和旋涡流动的研究是一种有效的方法。物面附近的流动情况是形成整个空间流动的出发点，在了解物面流动的基础上可以分析和理解空间流动的发展。
该方法的原理是：油流显示法利用混有颜料的油在物面上流动形成条纹，可以方便地显示物体表面摩擦线。利用摄像设备采集油流图像，采用适当的标定方法定量得到分离区域的范围。
该项技术用于风洞试验中流场的物面流动结构显示，然而，现有技术中，在油流显示的采集与定量测量方面采用的技术和装置较为落后，设备数字化程度低、显示方位少、标定精度低，很难满足现实需求。
发明内容
本发明的技术解决问题：为克服现有技术的不足，提供一种用于油流显示风洞试验的采集与测量方法，实现了高精度、数字化采集与定量分析流场表面流动情况。
本发明的技术解决方案：一种用于油流显示风洞试验的采集与测量方法，具体步骤为：
(1)布置风洞试验装置，将试验模型置于风洞出口流场均匀区内，将油流图像采集设备置于风洞出口流场区外，控制系统与油流图像采集设备相连；
(2)控制系统对试验条件下试验模型表面的流动结构及形态进行数值仿真，得到试验模型表面油流的预估结构和形态，将预估结构和形态所在的区域作为待测区；
(3)根据试验模型表面油流预估的结构和形态，调整油流图像采集设备的位置、角度、成像范围及数量，使油流图像采集范围涵盖试验模型表面油流预估的结构和形态；
(4)根据试验环境光线情况，设置控制系统曝光时间及对比度参数，确保油流图像清晰；并将油流图像采集设备的采集频率设置为合理值，确保获得完整的发展变化的动态油流图像；
(5)依据试验模型待测区表面的形状，绘制网格状标定模板，对每个网格进行间距及角度值定义；
(6)将绘制好的网格状标定模板覆盖于试验模型待测区表面，调整试验模型状态，控制系统通过油流图像采集设备采集不同试验模型状态下未涂油且未吹风前图像；
(7)评估未涂油且未吹风前图像是否包含待测区，以及图像的清晰程度，如果包含待测区且图像清晰，则进行下一步；如果未包含待测区或图像模糊，则重新回到步骤(3)，直至包含待测区且图像清晰；
(8)去掉覆盖于试验模型待测区表面的标定模板，对试验模型涂油，在一定风洞试验条件下，通过风洞出口对涂油的试验模型进行吹风，引起试验模型表面油流结构和形态的改变，控制系统通过油流图像采集设备采集吹风过程中油流图像；
(9)评估采集吹风过程中油流图像是否包含待测区的主要表面油流结构和形态，以及图像的清晰程度，如果包含待测区的主要表面油流结构和形态且图像清晰，则进行下一步；如果未包含待测区的主要表面油流结构和形态或图像模糊，则重新回到步骤(3)，直至包含待测区的主要表面油流结构和形态且图像清晰；
(10)吹风结束后，将未涂油且未吹风前图像和吹风过程中包含待测区的主要表面油流结构和形态且图像清晰的油流图像进行叠加比对，定量获得试验模型表面油流结构和形态数据。
风洞试验装置还包括光源产生设备，确保油流图像采集设备可以清晰采集试验模型的油流图像。
油流图像采集设备的采集频率设置为10帧/秒以上，使油流图像采集设备每秒钟拍照10次以上，每秒获得10幅以上照片。
对模型所涂的油，选择流动性较好的油，在油中加入不溶于油的示踪粒子，使得吹风后的油流图像能够反映主要表面油流结构和形态。
所述步骤(8)中风洞试验条件为：高超声速风洞内，来流马赫数为5～8，来流总温370K～750K，来流总压0.8MPa～8MPa。
所述步骤(5)中每个网格间距为0.5mm～2mm。
本发明与现有技术相比的优点如下：
(1)本发明提供了一种用于油流显示风洞试验的采集与测量方法，图像标定和测量依靠准备的标定模板，通过图像处理对表面油流照片进行定量标定，实现了高精度、数字化采集与定量分析流场表面流动情况；
(2)本发明的图像采集装置基于全新的数字化采集技术，包括多台采集设备，分别置于不同位置，可多方向得到图像信息，利于多角度显示表面流动结构，光源的位置和角度可通过调整灯架和底座的位置和角度适当调整。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明风洞试验装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
一种用于油流显示风洞试验的采集与测量方法，如图1所示，具体步骤为：
(1)布置风洞试验装置，如图2所示，将试验模型置于风洞出口流场均匀区内，将油流图像采集设备置于风洞出口流场区外，控制系统与油流图像采集设备相连；
(2)控制系统对试验条件下试验模型表面的流动结构及形态进行数值仿真，得到试验模型表面油流的预估结构和形态，将预估结构和形态所在的区域作为待测区；
(3)根据试验模型表面油流预估的结构和形态，调整油流图像采集设备的位置、角度、成像范围及数量，使油流图像采集范围涵盖试验模型表面油流预估的结构和形态；根据试验环境光线情况，设置控制系统曝光时间及对比度参数，确保油流图像清晰；可将油流图像采集设备的采集频率设置为合理值，确保获得完整的发展变化的动态油流图像；
(4)依据试验模型待测区表面的形状，绘制网格状标定模板，对每个网格进行间距及角度值定义；
(5)将绘制好的网格状标定模板覆盖于试验模型待测区表面，调整试验模型状态，控制系统通过油流图像采集设备采集不同试验模型状态下未涂油且未吹风前图像；
(6)评估未涂油且未吹风前图像是否包含待测区，以及图像的清晰程度，如果包含待测区且图像清晰，则进行下一步；如果未包含待测区或图像模糊，则重新回到步骤(3)，直至包含待测区且图像清晰；
(7)去掉覆盖于试验模型待测区表面的标定模板，对试验模型涂油，在一定风洞试验条件下，通过风洞出口对涂油的试验模型进行吹风，引起试验模型表面油流结构和形态的改变，控制系统通过油流图像采集设备采集吹风过程中油流图像；
(8)评估采集吹风过程中油流图像是否包含待测区的主要表面油流结构和形态，以及图像的清晰程度，如果包含待测区的主要表面油流结构和形态且图像清晰，则进行下一步；如果未包含待测区的主要表面油流结构和形态或图像模糊，则重新回到步骤(3)，直至包含待测区的主要表面油流结构和形态且图像清晰；
(9)吹风结束后，将未涂油且未吹风前图像和吹风过程中包含待测区的主要表面油流结构和形态且图像清晰的油流图像进行叠加比对，定量获得试验模型表面油流结构和形态数据。
风洞试验装置还包括光源产生设备，确保油流图像采集设备可以清晰采集试验模型的油流图像。
试验模型为锥柱裙布局的旋成体外形，步骤(2)中数值仿真方法为：
采用三维可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程为控制方程，通过有限体积方法进行离散；对流项离散采用二阶精度的Roe格式，粘性项离散采用中心差分格式；时间项离散使用LU-SGS隐式方法，采用局部时间步长加速收敛；湍流模型选用一方程S-A湍流模型。
边界条件：
(1)入流边界条件：根据飞行高度H，确定来流的静压P∞及静温T∞，给定来流的马赫数M∞、攻角及侧滑角(或滚转角)；
(2)壁面边界条件：壁面边界条件按无滑移绝热壁面边界条件处理；
(3)对称边界条件：对称面上法向速度为零，所有变量的法向梯度为零；
(4)出流边界条件：在计算区域的外侧边界及下游边界通过插值外推；
(5)喷流边界条件：喷管内流/绕流一体化计算时，使用喷管入口参数。
实施例
采用表面油流试验技术，可获得反映姿轨控喷流干扰流动分离特征的试验结果。然而不同试验模型、不同试验条件下，油流配方(成分、粘稠度等)的适应性不同，油流采集与标定系统(设备参数、设备位置等)的要求也不同，必须针对具体的研究对象进行表面油流试验技术的适应性研究。
为了获得清晰的表面油流图谱，除了针对油流配比技术进行了适应性研究，还构建了一套高精度、数字化的油流采集与标定系统，主要包括：高分辨率数字面阵摄像头、定焦镜头、摄像头保护罩、光源、调压器、计算机及图像处理软件。
具体步骤为：
(1)将安装了定焦镜头的高分辨率数字面阵摄像头置于摄像头保护装置内，并固定于风洞内壁；
(2)将12V直流6-pin接口电源和千兆网线连接到高分辨率数字面阵摄像头，千兆网线另一端连接到计算机的千兆网卡接口；
(3)将高功率卤素灯管安装在灯架上，将灯架的底座固定于风洞内壁，电线一端连接于灯架，另一端连接于调压器；
(4)开启图像/视频采集装置和光源产生装置，开启计算机的图像/视频采集软件；
(5)根据表面油流显示试验的采集要求，调节图像/视频采集装置和光源产生装置在风洞内的安装位置，以及调压器的供电电压；
(6)确定各试验装置运行参数后，关闭图像/视频采集装置和光源产生装置，关闭计算机的图像/视频采集软件，完成试验装置的调试工作；
(7)风洞启动前，在试验模型表面覆盖上二维等间距的规则标定模板，按确定好的运行参数开启并设置图像/视频采集装置、光源产生装置以及计算机的图像/视频采集软件，在各试验状态条件下采集带有标定模板的模型表面图像，采集完毕后将标定模板从模型表面移除，在试验模型表面涂油后即完成风洞吹风前的准备；
(8)风洞启动、运行期间，持续采集试验模型表面的油流图像，图像将实时地保存于计算机的固态硬盘上；
(9)风洞停车后，在计算机上通过图像处理软件，将风洞吹风前带有标定模板的试验模型表面图像与吹风期间采集的试验模型表面油流图像叠加，即可快速定量获得试验模型表面的流动结构特征。
油流图像采集设备的采集频率设置为20帧/秒，使油流图像采集设备每秒钟拍照20次，每秒获得20幅照片。
对模型所涂的油，选择流动性较好的油，在油中加入不溶于油的示踪粒子，使得吹风后的油流图像能够反映主要表面油流结构和形态。
风洞试验条件为：高超声速风洞内，来流马赫数Ma＝5，来流总温T0＝370K，来流总压P0＝2.0MPa，将每个网格间距设计为1mm。
本发明实施例具有以下特点：
(1)数字化、高分辨率、低成本。采用全新的数字化采集技术(高分辨率数字面阵摄像头、千兆网接口、固态硬盘等特点)，保证了图像质量，降低了采集成本。
(2)采集装置体积小、质量轻、安全可靠。采集装置(不含定焦镜头)的尺寸仅为42毫米×29毫米×29毫米，质量为90克。加装专门设计制作的全铝保护罩，保证了风洞试验时采集的安全性(特别是高超声速风洞条件下的高温、高总压环境)。
(3)标定精度高。标定模板网格间距为1毫米，对重点关注区域采用适当焦距的定焦镜头进行采集，可以更进一步提高标定精度。
利用本项技术在高超声速风洞内完成了来流马赫数Ma＝5，来流总温T0＝370K，来流总压P0＝2.0MPa条件下侧向喷流干扰流场的油流显示试验，获得了反映干扰流场特征的表面油流图像，验证了本项技术的实用性和创新性。
本发明未公开内容为本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.一种用于油流显示风洞试验的采集与测量方法，其特征在于，具体步骤为：
(1)布置风洞试验装置，将试验模型置于风洞出口流场均匀区内，将油流图像采集设备置于风洞出口流场区外，控制系统与油流图像采集设备相连；
(2)控制系统对试验条件下试验模型表面的流动结构及形态进行数值仿真，得到试验模型表面油流的预估结构和形态，将预估结构和形态所在的区域作为待测区；
(3)根据试验模型表面油流预估的结构和形态，调整油流图像采集设备的位置、角度、成像范围及数量，使油流图像采集范围涵盖试验模型表面油流预估的结构和形态；
(4)根据试验环境光线情况，设置控制系统曝光时间及对比度参数，确保油流图像清晰；并将油流图像采集设备的采集频率设置为合理值，确保获得完整的发展变化的动态油流图像；
(5)依据试验模型待测区表面的形状，绘制网格状标定模板，对每个网格进行间距及角度值定义；
(6)将绘制好的网格状标定模板覆盖于试验模型待测区表面，调整试验模型状态，控制系统通过油流图像采集设备采集不同试验模型状态下未涂油且未吹风前图像；
(7)评估未涂油且未吹风前图像是否包含待测区，以及图像的清晰程度，如果包含待测区且图像清晰，则进行下一步；如果未包含待测区或图像模糊，则重新回到步骤(3)，直至包含待测区且图像清晰；
(8)去掉覆盖于试验模型待测区表面的标定模板，对试验模型涂油，在一定风洞试验条件下，通过风洞出口对涂油的试验模型进行吹风，引起试验模型表面油流结构和形态的改变，控制系统通过油流图像采集设备采集吹风过程中油流图像；
(9)评估采集吹风过程中油流图像是否包含待测区的主要表面油流结构和形态，以及图像的清晰程度，如果包含待测区的主要表面油流结构和形态且图像清晰，则进行下一步；如果未包含待测区的主要表面油流结构和形态或图像模糊，则重新回到步骤(3)，直至包含待测区的主要表面油流结构和形态且图像清晰；
(10)吹风结束后，将未涂油且未吹风前图像和吹风过程中包含待测区的主要表面油流结构和形态且图像清晰的油流图像进行叠加比对，定量获得试验模型表面油流结构和形态数据。
2.如权利要求1所述的一种用于油流显示风洞试验的采集与测量方法，其特征在于，风洞试验装置还包括光源产生设备，确保油流图像采集设备可以清晰采集试验模型的油流图像。
3.如权利要求1所述的一种用于油流显示风洞试验的采集与测量方法，其特征在于，油流图像采集设备的采集频率设置为10帧/秒以上，使油流图像采集设备每秒钟拍照10次以上，每秒获得10幅以上照片。
4.如权利要求1所述的一种用于油流显示风洞试验的采集与测量方法，其特征在于，对模型所涂的油，选择流动性较好的油，在油中加入不溶于油的示踪粒子，使得吹风后的油流图像能够反映主要表面油流结构和形态。
5.如权利要求1所述的一种用于油流显示风洞试验的采集与测量方法，其特征在于，所述步骤(8)中风洞试验条件为：高超声速风洞内，来流马赫数为5～8，来流总温370K～750K，来流总压0.8MPa～8MPa。
6.如权利要求1所述的一种用于油流显示风洞试验的采集与测量方法，其特征在于，所述步骤(5)中每个网格间距为0.5mm～2mm。
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