CN110823498A - 基于高速纹影的超声速分离区测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

公开一种超声速分离区产生装置，包括扩张段1、扩张段法兰2、超声速喷管3、实验舱4、压缩拐角流动测试模型5、真空舱6、真空泵组7。还公开一种基于高速纹影的超声速分离区测量装置，包括：氙光灯401，光栅402，第一凹球面反射镜403，第一光学玻璃404，第二光学玻璃405，第二凹球面反射镜406，平面镜407，刀口408，高速相机409，图像后处理装置4010；以及一种基于高速纹影的超声速分离区测量方法。本发明通过获得超声速流场结构脉动变化水平，实现分离区大小可视化定量测量和位置的判定。

Description

基于高速纹影的超声速分离区测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及超声速流场诊断技术领域，更具体地，涉及一种基于高速纹影 的超声速分离区测量装置及测量方法。

背景技术

流动分离是超声速流动领域一个及其重要的问题，对于分离区尺寸、位置 的判断、预测和诊断有着十分重要的意义。通过非接触式手段实现精准、实时、 快速测量流场结构，在航空航天、军事等领域应用广泛。分离区尺寸的测量方 法的研究一直是国内外超声速领域的热点问题。非接触式的流场诊断方法一般 分为两大类：一类是通过平行光束穿过可压缩超声速流场，光速受到流场密度 梯度变化扰动发生偏转，通过接收装置成像，发生偏折的光束在成像面上发生 照度的变化，从而得到我们所需要的流场结构，但是密度梯度变化较大的流场 结构才能很好的提取，例如激波。这类方法装置结构简单，便于操作。缺点是 无法判定低脉动水平结构，例如分离区的尺寸和位置。纹影技术就属于这类方 法。另一类是通过在流场中注入纳米级别的示踪粒子，通过纳秒脉冲激光短时 间照亮流场，利用示踪粒子在很短时间间隔内的位移来间接的测量流场瞬态速 度分布。这类技术具有较高测量精度，可以精确的捕捉超声速流场的全部结构， 包括分离区大小，缺点是对示踪粒子的质量、大小、分布、折射率以及均匀性 要求很高，测试装置复杂，不便于操作。PIV，激光多普勒测速就属于这类方法。 近年来，利用计算机图像后处理技术等手段来处理原始图像获得超声速流动结 构分布取得了一定进展。

纹影法是一种进行流场显示和测量的常见方法，能够实现快速的气流可视 化，可以作为一种非接触式方法测量超声速流场结构。纹影技术在现代快速发 展的数字图像后处理技术的帮助下，在超声速流动分离区的测量中可以作为定 量的分析手段。虽然超声速PIV等测试手段测试分离区更为精确，但其建设、 维护及保养费用高昂，操作起来十分复杂。在超声速流动实验中，人们往往期 望需要及时获得分离区大小并希望快速、直观地观察其现象。因此，设计一种 性价比高且操作简单的非接触式纹影测量分离区的实验装置及纹影图片后处理 方法更加有意义。

发明内容

本发明为了克服纹影法在定量分析技术上的缺陷，同时避免采用更为昂贵 的PIV技术，提供一种超声速分离区产生装置，包括扩张段1、扩张段法兰2、 超声速喷管3、实验舱4、真空舱6、真空泵组7；其特征在于，还包括压缩拐 角流动测试模型5；风洞进口为大气环境；所述超声速分离区产生装置从前往后 依次是扩张段1、扩张段法兰2、超声速喷管3、实验舱4，压缩拐角流动测试 模型5和真空舱6；

扩张段1，其为本领域惯用的扩张段结构，大气从扩张段1进入所述超声速 分离区产生装置；

扩张段法兰2，其实际属于扩张段1，用于将扩张段1的两部分连接在一起； 通过在扩张段法兰2处加装膜片作为风洞启动开关；

超声速喷管3，其对经由扩张段1进入的大气进行加速并输出；

实验舱4，其为封闭的空腔结构，左、右两端面开通孔，超声速喷管出口 200从左端面通孔伸入到实验舱4中，位于真空舱6左端的扩压器从右端面通孔 伸入到实验舱4中，左右两个通孔接缝处均密封；实验舱4接受来自超声速喷 管3的气流，在实验舱4中的压缩拐角流动测试模型5附近产生实验所需来流 条件；

压缩拐角流动测试模型5，其被放置于实验舱4中，包括平板模型201，安 装在平板模型201后端上侧的斜坡202，和用于支承平板模型201的支承底座 203；

真空舱6；在风洞实验前，其用于形成真空环境；

真空泵组7，在风洞实验前，真空泵组7用于为真空舱6形成真空环境；

除压缩拐角流动测试模型5之外，上述各部件的组成、结构、位置、连接 方式为本领域惯用技术；为保证整个装置的气密性，对各个接口及螺纹孔进行 密封处理。

在本发明的一个实施例中，实验舱4为封闭的圆柱体结构，该圆柱体横向 放置，左、右两个端面开圆孔，超声速喷管出口200从左端面圆孔伸入到实验 舱4中，位于真空舱6左端的扩压器从右端面圆孔伸入到实验舱4中。

在本发明的另一个实施例中，支承底座203为所有能够支承住斜坡202的 支撑架形状，平板模型201水平放置在支承底座203上面；支承底座203的高 度以平板模型201处于实验舱4中超声速喷管3的出口中心位置为准，平板模 型201前端可以伸入超声速喷管3的出口，与其零间距，或者保持较小间距。

在本发明的又一个实施例中，为方便变换斜坡202的角度，将压缩拐角流 动测试模型5设计为可拆卸结构，保证平板模型201、斜坡202和支承底座203 之间能够拆卸，即，斜坡202易于从平板模型201上拆卸下来，平板模型201 易于从支承底座203上拆卸下来；另外，支承底座203制作成部分可拆卸或不 可拆卸一体化结构。

在本发明的再一个实施例中，，支承底座203高度范围在1080mm～1280mm； 平板模型201总长度在220～600mm范围内，宽度范围在50～160mm；斜坡202 高度范围在10～30mm，斜坡角度范围为10°～30°。

在本发明的一个具体实施例中，支承底座203高度为1180mm；平板模型 201总长度为440mm，宽度为110mm；斜坡202高度为20mm，斜坡角度选取 20°、22°、24°、26°、28°、30°共六种角度进行更换。

还提供一种基于高速纹影的超声速分离区测量装置，其特征在于，包括： 氙光灯401，光栅402，第一凹球面反射镜403，第一光学玻璃404，第二光学 玻璃405，第二凹球面反射镜406，平面镜407，刀口408，高速相机409，图像 后处理装置4010；

上述权利要求1至6的任何一项所述的超声速分离区产生装置竖直放置， 扩张段1在下，实验舱4在上；

氙光灯401、光栅402、第一凹球面反射镜403、第一光学玻璃404放置在 超声速流场一侧；第二凹球面反射镜406、第二光学玻璃405、平面镜407，刀 口408，高速相机409放置在超声速流场另一侧；

自右向左，第一凹球面反射镜403、第一光学玻璃404、第二光学玻璃405、 第二凹球面反射镜406之间存有间距且具有相同的水平光轴，第二光学玻璃405 和第一光学玻璃404分别位于实验舱4左右，将实验舱4夹在中间，两块光学 玻璃之间的区域，即为超声速流动分离测试区域，与实验舱4存有间距或无间 距；氙光灯401、光栅402位于实验舱4外右上方位置，氙光灯401正对着光栅 402发射出汇聚的氙光，光栅402位于该汇聚氙光的焦平面处，氙光经过光栅后 形成标准的圆形光斑；之后投射到第一凹球面反射镜403上，氙光经过第一凹 球面反射镜403的反射，形成平行光束向左传播；该平行光束依次透射过第一 光学玻璃404、实验舱4、第二光学玻璃405，使得输出的光信号中含有压缩拐 角流动测试模型5的流场结构信息；之后所述光信号被发射给第二凹球面反射 镜406，经过第二凹球面反射镜406反射后，所述光信号变成汇聚光，之后再发 散，并继续传播给位于第二凹球面反射镜406右下方的平面镜407；平面镜407 将含有所述光信号反射给高速相机409；

在平面镜407和高速相机409之间的适当位置处设置刀口408，用于切光； 高速相机409对含有压缩拐角流动测试模型5的流场结构信息的光信号进行采 集，并传输给图像后处理装置4010。

在本发明的一个实施例中，光栅402设有调节装置，用于调节光栅大小， 控制进光量，并设有位置微调支架，保证光栅402位于光源发射出的汇聚氙光 的焦平面处；

第一凹球面反射镜403设有角度调节装置，保证光束顺利通过压缩拐角流 动测试模型5，第一凹球面反射镜403、第二凹球面反射镜406直径为50～500mm。

此外，再提供一种基于高速纹影的超声速分离区测量方法，其特征在于， 包括下列步骤：

Step1：当风洞启动时，基于高速纹影的超声速分离区测量装置开始工作， 氙光灯401正对着光栅402发射出汇聚的氙光，光栅402位于该汇聚氙光的焦 平面处，氙光经过光栅后形成标准的圆形光斑；

Step2：所述氙光光斑投射到第一凹球面反射镜403上，氙光经过第一凹球 面反射镜403的反射，形成平行光束向左传播；

Step3：所述平行光束依次透射过第一光学玻璃404、实验舱4、第二光学玻 璃405，使得输出的光信号中含有压缩拐角流动测试模型5的流场结构信息；

Step4：所述光信号被发射给第二凹球面反射镜406，经过第二凹球面反射 镜406反射后，所述光信号变成汇聚光，之后再发散，并继续传播给位于第二 凹球面反射镜406右下方的平面镜407；

Step5：平面镜407将含有所述光信号反射给高速相机409；在平面镜407 和高速相机409之间的适当位置处设置刀口408，用于切光，使得高速相机409 成像清晰；

Step6：高速相机409对含有压缩拐角流动测试模型5的流场结构信息的光 信号进行采集，并传输给图像后处理装置4010进行数据处理，实现超声速流动 分离区的可视化定量测量。

另外，还提供一种针对压缩拐角超声速流场结构的纹影图像处理方法，其 特征在于，包括下列步骤：

1.纹影视频采集

高速相机409内部含有嵌入式的视频采集系统，实现剪切移植、多任务并 行、实时采集等多项功能；基于PC高性能处理，前端视频数据通过高速局域网 络传输至PC端进行采集；PC采集系统通过高速局域网络实现录像数据共享， PC端还包含一个数据分析微机，授权之后可实时观看试验纹影视频；

2.视频分帧操作与图像选取

PC端后处理软件包含视频分帧操作，输出不同时刻的视频片段，并根据需 要可以选取输出图像数据量的大小，最终导出图片文件；

3.折射率梯度计算

光束以平行光束的形式穿过压缩拐角流动测试区域，因为流畅测试区域的 气流扰动，光束的折射率梯度产生了变化，在对折射率离散分布介质中的光线 追迹过程中，所需空间点的折射率及其梯度采用距离加权插值和Barron梯度算 子进行求解；求解结果为数字灰度矩阵，最终在高速相机成像显示上为包含流 场结构特征的黑白图像；

4.rms收敛性判定

进一步对获得连续纹影图片序列的图像强度进行收敛性分析；I_mean和I_RMS分别为图像强度平均值和图像强度均方根；数据量包含S个样本，残差量

其定义为N张图像的图像强度场平均值

与N-1张纹影强度场平均值 之差的绝对值；

纹影强度场均方根值

与N-1张纹影强度场均方根值

之差 的绝对值

其中(i，j)分别代表图像水平方向和垂直方向上的第i(i^th)和第j(j^th)像素值；判定

和

剩余残差量不超过0.1即为收敛；

5.计算纹影强度场的均方根分布

在步骤4纹影强度场的均方根残差具备收敛性的基础上，进一步计算纹影 强度场每一个像素位置的均方根I_RMS的分布，样本容量为S；

上述公式的数学含义为图像强度的脉动水平，对应的物理含义则表示各个 区域对应流场结构的脉动水平；需要说明的是，只有证明I(i，j)_RMS具有收敛性， 上述公式才具有物理含义，否则无意义；

6.分离区大小、位置判定

根据步骤5获得的纹影强度场的均方根I_RMS的分布，绘制I_RMS轮廓云图， 并标注等值线，根据云图中脉动强度的分布可以进一步锁定流场结构，云图中 不同脉动强度区域会出现明显的边界特征，在靠近压缩拐角附近出现明显的等 值区域，即可认定出该区域对应的流场结构为分离区；可以根据云图中压缩拐 角处脉动强度的边界确定分离区的位置和大小。

本发明通过高帧频高速纹影技术采集流场中单幅高分辨率的稳态结构和多 幅连续瞬态结构，其中多幅连续瞬态结构可以更好地捕捉到流动结构的变化规 律，通过获得超声速流场结构脉动变化水平，实现分离区大小可视化定量测量 和位置的判定。

本发明可以测量微秒量级时间尺度超声速流动结构演化过程，克服了传统 高速纹影技术无法对分离区实现有效预估的技术缺陷。同时，在缺乏PIV测试 条件的前提下，该基于纹影技术的超声速分离区测量装置搭建简易，可靠性高， 测量信息量大、速度快、精准度高，非常适合于学术研究和工业应用。

附图说明

图1是本发明超声速分离区产生装置的整体结构示意图；

图2是实验舱4与压缩拐角流动测试模型5的位置关系示意图；

图3是基于高速纹影的超声速分离区测量装置示意图；

图4是高速相机采集的超声速流场结构瞬态纹影图，其中图4(a)至(f) 分别示出斜坡角度为20°、22°、24°、26°、28°、30°的瞬态流场结构；

图5示出对应30°压缩拐角流动I_mean和I_RMS随纹影序列数量的残差变化示 意图；

图6是超声速流场脉动水平分布，其中图6(a)至(f)分别示出斜坡角度 为20°、22°、24°、26°、28°、30°在超声速流动条件下的I_RMS分布。

附图标记：1、扩张段；2、扩张段法兰(风洞启动装置)；3、超声速喷管； 4、实验舱；5、压缩拐角流动测试模型；6、真空舱；7真空泵组；200、超声速 喷管出口；201、平板模型；202、斜坡；203、支承底座；401、氙光灯；402、 光栅；403、第一凹球面反射镜；404、第一光学玻璃；405、第二光学玻璃；406 第二凹球面反射镜；407、平面镜；408、刀口；409、高速相机；4010、图像后 处理装置。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实 施例，附图某些部件会省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本 领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实 施例，附图某些部件会省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本 领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

如图1所示，本发明提供一种超声速分离区产生装置，包括扩张段法兰2、 超声速喷管3、实验舱4、压缩拐角流动测试模型5、真空舱6、真空泵组7。

风洞进口为大气环境，采用真空泵组7将真空舱6气压降至风洞的启动气 压以下。从前往后依次是扩张段1、扩张段法兰2、超声速喷管3、实验舱4， 压缩拐角流动测试模型5和真空舱6。本领域技术人员熟知，扩张段法兰2实际 上属于扩张段1，用于将扩张段1的两部分连接在一起。该风洞工作的基本原理 是：通过在扩张段法兰2处加装膜片(即，将膜片夹在扩张段法兰2中间，可 以起到隔绝实验舱4与大气的作用)作为风洞启动开关，当膜片开启(即通过 外力使膜片破裂，此时，大气能够穿过破裂的膜片进入实验舱4)后，在压差的驱动下，大气首先经过扩张段1，然后经过超声速喷管3的加速作用，进入实验 舱4，在实验舱4中的压缩拐角流动测试模型5附近产生实验所需来流条件，最 后，大气进入到真空舱6。在风洞实验前，真空泵组7用于为真空舱6形成真空 环境。除压缩拐角流动测试模型5之外，上述各部件的组成、结构、位置、连 接方式为本领域技术人员熟知，不再累述。为保证整个装置的气密性，需对各 个接口及螺纹孔进行密封处理。图1各部件下方未标出附图标记的风洞连接结 构为固定设施，不在发明范围内。

实验舱4为封闭的圆柱体结构，该圆柱体横向放置，左、右两个端面开圆 孔，超声速喷管出口200从左端面圆孔伸入到实验舱4中，位于真空舱6左端 的扩压器从右端面圆孔伸入到实验舱4中，左右两个圆孔接缝处均密封，例如 通过焊接方式。压缩拐角流动测试模型5放置于实验舱4中。

压缩拐角流动测试模型5结构如图2所示意。压缩拐角流动测试模型5包 括平板模型201，安装在平板模型201后端上侧的斜坡202，和用于支承平板模 型201的支承底座203。支承底座203为所有能够支承住斜坡202的支撑架形状， 图中所示为本发明的一个实施例，是一个

形状的支承底座203，其上端固 定安装有平板模型201，其下端

形板与实验舱4内壁固定连接，平板模型 201水平放置。平板模型201总长度在220～600mm范围内，优选值为440mm， 宽度范围在50～160mm，优选值为110mm。斜坡202高度范围在10～30mm，优选值为20mm，斜坡角度范围为10°～30°，在本实例中选取了20°、22°、24°、 26°、28°、30°六种角度进行更换。支承底座203的高度以平板模型201处 于实验舱4中超声速喷管3的出口中心位置为准(平板模型201可以伸入超声 速喷管3的出口，与其零间距，或者保持较小间距)；在本发明的一个实施例中， 支承底座203高度范围在1080mm～1280mm，优选值为1180mm。为方便变换斜 坡202的角度，将压缩拐角流动测试模型5设计为可拆卸结构，保证平板模型 201、斜坡202和支承底座203之间能够拆卸，即，斜坡202易于从平板模型201 上拆卸下来，平板模型201易于从支承底座203上拆卸下来，另外，支承底座 203也可以制作成部分可拆卸，例如，在本发明的一个实施例中，形支承 底座203的“丨”部分易于从

部分拆卸下来。在本发明的一个实施例中， 平板模型201与斜坡202之间、平板模型201与支承底座203之间均采用螺栓 连接，平板模型201和斜坡202之间通过螺栓连接形成压缩拐角结构。

如图3所示，本发明提供一种基于高速纹影的超声速分离区测量装置，包 括：氙光灯401，光栅402，第一凹球面反射镜403，第一光学玻璃404，第二 光学玻璃405，第二凹球面反射镜406，平面镜407，刀口408，高速相机409， 图像后处理装置4010。

如图4所示，将如图1所示的超声速分离区产生装置竖直放置，扩张段1 在下，实验舱4在上(为简便起见，省略真空舱6)；氙光灯401、光栅402、第 一凹球面反射镜403、第一光学玻璃404放置在超声速流场一侧(例如右侧)； 第二凹球面反射镜406、第二光学玻璃405、平面镜407，刀口408，高速相机 409放置在超声速流场另一侧(例如左侧)。自右向左，第一凹球面反射镜403、 第一光学玻璃404、第二光学玻璃405、第二凹球面反射镜406之间存有间距且 具有相同的水平光轴，第二光学玻璃405和第一光学玻璃404分别位于实验舱4 左右，将实验舱4夹在中间，与实验舱4之间可以存有间距，也可以无间距。 氙光灯401、光栅402位于实验舱4外大约右上方位置，氙光灯401正对着光栅 402发射出汇聚的氙光，光栅402位于该汇聚氙光的焦平面处，氙光经过光栅后 形成标准的圆形光斑；之后投射到第一凹球面反射镜403上，氙光经过第一凹 球面反射镜403的反射，形成平行光束向左传播；该平行光束依次透射过第一 光学玻璃404、实验舱4、第二光学玻璃405，使得输出的光信号中含有压缩拐 角流动测试模型5的流场结构信息；之后所述光信号被发射给第二凹球面反射镜406，经过第二凹球面反射镜406反射后，所述光信号变成汇聚光，之后再发 散，并继续传播给位于第二凹球面反射镜406右下方的平面镜407；平面镜407 将含有所述光信号反射给高速相机409；由于纹影系统的需要，在平面镜407和 高速相机409之间的适当位置处设置刀口408，用于切光，使得高速相机409成 像清晰(该原理及刀口408的位置为本领域技术人员熟知，不再累述)；高速 相机409对含有压缩拐角流动测试模型5的流场结构信息的光信号进行采集， 并传输给图像后处理装置4010。

在本发明的一个实施例中，光栅402设有调节装置(图中未示出)，可以调 节光栅大小，控制进光量，并设有位置微调支架(图中未示出)，保证光栅402 位于光源发射出的汇聚氙光的焦平面处。第一凹球面反射镜403设有角度调节 装置(图中未示出)，可以保证光束顺利通过压缩拐角流动测试模型5，第一凹 球面反射镜403、第二凹球面反射镜406直径为50～500mm，优选300mm。在 本发明的一个实施例中，高速相机409型号为Phantom@V2512，拥有60G的机 身内存，在最大分辨率1280×800下的拍摄帧频为30000fps，在最小分辨率128×8 下的拍摄帧频为700000fps，在本发明的一个实施例中，将高速相机采样帧频设 置为20kHz(20000fps)，曝光时间范围设置为1～500μs，优选值为1μs。高速 相机409与图像后处理装置4010的连接方式为电连接。

还提供一种基于高速纹影的超声速分离区测量方法，具体如下：当风洞启 动时，基于高速纹影的超声速分离区测量装置开始工作，此时，氙光灯401发 射高强度的汇聚光束，光束通过光栅402调节后照射至第一凹球面反射镜403， 光束再经过第一凹球面反射镜403反射至第一光学玻璃404，并进入压缩拐角流 动测试模型5，由此，超声速流场结构成像在第二凹球面反射镜406上，反射至 平面镜407，再投射至高速相机409，中间用刀口408切去部分光源像，通过高 速相机409采集含有超声速流场结构的光信号并将其传输给图像处理装置4010， 图像处理装置4010通过对图像信号进行处理，实现超声速流动分离区的可视化 定量测量。其中，两块光学玻璃之间的区域，即为超声速流动分离测试区域。 氙光灯401、第一凹球面反射镜403的光轴与第一凹球面反射镜403、第二凹球 面反射镜406的光轴之间的夹角不超过30°，尽可能地小，第一凹球面反射镜 403、第二凹球面反射镜406的光轴与第二凹球面反射镜406、平面镜407的光 轴之间的夹角不超过30°，同样要尽可能地小。

在本发明的一个实施例中，在超声速来流条件下，平板模型201和斜坡202 通过螺栓连接形成压缩拐角结构。压缩拐角流动在拐角区域因为出现激波诱导 逆压梯度，可能会出现流动分离。

所提供的包括但不限于以下步骤：在测量开始时，需将该分离区测量装置 安装在超声速流场测试区域，以进行测量。

图像后处理装置4010对压缩拐角超声速流场结构的纹影图像进行处理，主 要包括：

1.纹影视频采集

高速相机内部含有嵌入式的视频采集系统，可实现剪切移植、多任务并行、 实时采集等多项功能；基于PC高性能处理，前端视频数据可以通过高速局域网 络传输至PC端进行采集。PC采集系统通过高速局域网络实现录像数据共享， PC端还包含一个数据分析微机，授权之后可实时观看试验纹影视频。该技术为 本领域技术人员熟知，不再累述。

2.视频分帧操作与图像选取

PC端后处理软件包含视频分帧操作，可输出不同时刻的视频片段，并根据 需要可以选取输出图像数据量的大小，最终导出例如jpg格式图片。该技术为本 领域技术人员熟知，不再累述。

3.折射率梯度计算

光束以平行光束的形式穿过压缩拐角流动测试区域，因为流畅测试区域的 气流扰动，光束的折射率梯度产生了变化，光线在任意梯度折射率介质中的折 射率梯度求解方法包括欧拉法、龙格库塔法和泰勒级数展开法，它们都是针对 介质中光线传输进行追迹的数值方法(冯定华，潘沙，王文龙，李桦.任意梯度 折射率介质中光线追迹的仿真与分析[J].计算机仿真.2010，27(2)：135)。在 对折射率离散分布介质中的光线追迹过程中，所需空间点的折射率及其梯度采 用距离加权插值和Barron梯度算子进行求解(冯定华，潘沙，王文龙，李桦.任 意梯度折射率介质中光线追迹的仿真与分析[J].计算机仿真.2010，27(2)：135)。 求解结果为数字灰度矩阵，最终在高速相机成像显示上为包含流场结构特征的黑白图像，该技术为本领域技术人员熟知，不再累述。

上述步骤1至3，均为本领域技术人员熟知的技术手段，无需累述，下面的 步骤4至6为本发明的技术特点，如下详述。

4.rms收敛性判定

进一步对获得连续纹影图片序列的图像强度(灰度值)进行收敛性分析。 图5为压缩角度为30度的超声速流场的I_mean和I_RMS残差演化，I_mean和I_RMS分别 为图像强度平均值和图像强度均方根。数据量包含了S个样本，S例如等于10000， 残差量

其定义为N张图像的图像强度场平均值

与N-1张纹影 强度场平均值

之差的绝对值。

类似的有纹影强度场均方根值

与N-1张纹影强度场均方根值

之差的绝对值

其中(i，j)分别代表图像水平方向和垂直方向上的第i(i^th)和第j(j^th)像素值。在本发明中判定

和

剩余残差量不超过0.1即为收敛。

5.计算纹影强度场的均方根分布

在步骤4纹影强度场的均方根残差具备收敛性的基础上，进一步计算纹影 强度场每一个像素位置的均方根I_RMS的分布，样本容量为S。

上述公式的数学含义为图像强度的脉动水平，对应的物理含义则表示各个 区域对应流场结构的脉动水平。需要说明的是，只有证明I(i，j)_RMS具有收敛性， 上述公式才具有物理含义，否则无意义。

6.分离区大小、位置判定

根据步骤5获得的纹影强度场的均方根I_RMS的分布，绘制I_RMS轮廓云图， 并标注等值线，根据云图中脉动强度的分布可以进一步锁定流场结构，云图中 不同脉动强度区域会出现明显的边界特征，在靠近压缩拐角附近出现明显的等 值区域，即可认定出该区域对应的流场结构为分离区。可以根据云图中压缩拐 角处脉动强度的边界确定分离区的位置和大小。

根据脉动水平分布差异性确定分离区的位置和大小，实现超声速压缩拐角 流动分离区的纹影可视化定量测量。虽然纹影技术是一种定性流场诊断装置， 但是随着纹影技术的快速发展，比如低曝光度、短脉冲光源、高帧频采集等。 可以获得大量实时的纹影数据，通过纹影图像可以辨识高密度梯度的流场结构， 如激波。但是仍然无法辨识分离区、剪切层等类似低密度梯度的流场结构。通 过对纹影强度场的统计学分析，也就是检验平均强度场和均方根强度场，通过 大量纹影数据的迭代，确保这两个参数是具有收敛性，进而计算纹影强度场均 方根I_RMS的分布，可以确定出流场中的脉动水平，根据脉动水平的差异锁定类 似低密度梯度的流场结构，并且具有明显的边界特征。

以超声速压缩拐角流动为例，如图4所示，图4(a)至(f)分别示出斜坡 角度为20°、22°、24°、26°、28°、30°的瞬态流场结构。包含6个不同 压缩角度，可以明显的看出随着角度的增加，分离激波被迫向上游运动，同时 表明分离区的尺度则逐渐增大，但是分离区无法在原始纹影中体现。

因为高速纹影技术可以采集流场中多幅连续瞬态结构，高速纹影技术可以 提供大量瞬态连续结构样本，因此保证了纹影强度场在统计学上的收敛，如图5 所示。图5说明每一步计算出相邻纹影强度最大差值在总体趋势上是呈收敛趋 势的，而且样本数量越多，残差值越小。说明该方法可以很好地体现并捕捉到 流动结构的动态变化规律。

超声速流场中，虽然不同的流场结构具有不同的脉动水平，但是一些特征 结构无法用原始纹影直接区分(如剪切层、分离区等)。纹影强度场的均方根分 布反映出全局流场的脉动特征，根据这些脉动特征分布从侧面建立分离区在流 场中的分布情况，如图6所示。因为激波与附面层的相互作用，附面层在通过 分离激波后I_RMS明显增加。

从图6中可以看出分离激波下游的脉动水平分为明显的两个部分：一部分 位于平板上，一部分位于斜坡上，斜坡上脉动强度更大。进一步仔细观察整个 区域的I_RMS分布，可以发现在压缩拐角附近出现了一个脉动强度相对稳定的区 域，这部分区域的脉动强度明显较弱边界明显。

这部分区域的大小随着压缩角度的增大而增大，因为分离泡的脉动强度是 要弱于剪切层，而且位于剪切层的下方，判定这部分区域对应的流动结构是分 离泡，进而得出分离区的尺寸和具体位置。通过获得超声速流场结构脉动水平 分布，实现分离区大小可视化定量测量和位置的判定。

Claims (10)

1.一种超声速分离区产生装置，包括扩张段1、扩张段法兰2、超声速喷管3、实验舱4、真空舱6、真空泵组7；其特征在于，还包括压缩拐角流动测试模型5；风洞进口为大气环境；所述超声速分离区产生装置从前往后依次是扩张段1、扩张段法兰2、超声速喷管3、实验舱4，压缩拐角流动测试模型5和真空舱6；

扩张段1，其为本领域惯用的扩张段结构，大气从扩张段1进入所述超声速分离区产生装置；

扩张段法兰2，其实际属于扩张段1，用于将扩张段1的两部分连接在一起；通过在扩张段法兰2处加装膜片作为风洞启动开关；

超声速喷管3，其对经由扩张段1进入的大气进行加速并输出；

实验舱4，其为封闭的空腔结构，左、右两端面开通孔，超声速喷管出口200从左端面通孔伸入到实验舱4中，位于真空舱6左端的扩压器从右端面通孔伸入到实验舱4中，左右两个通孔接缝处均密封；实验舱4接受来自超声速喷管3的气流，在实验舱4中的压缩拐角流动测试模型5附近产生实验所需来流条件；

压缩拐角流动测试模型5，其被放置于实验舱4中，包括平板模型201，安装在平板模型201后端上侧的斜坡202，和用于支承平板模型201的支承底座203；

真空舱6；在风洞实验前，其用于形成真空环境；

真空泵组7，在风洞实验前，真空泵组7用于为真空舱6形成真空环境；

除压缩拐角流动测试模型5之外，上述各部件的组成、结构、位置、连接方式为本领域惯用技术；为保证整个装置的气密性，对各个接口及螺纹孔进行密封处理。

2.如权利要求1所述的超声速分离区产生装置，其特征在于，实验舱4为封闭的圆柱体结构，该圆柱体横向放置，左、右两个端面开圆孔，超声速喷管出口200从左端面圆孔伸入到实验舱4中，位于真空舱6左端的扩压器从右端面圆孔伸入到实验舱4中。

3.如权利要求1所述的超声速分离区产生装置，其特征在于，支承底座203为所有能够支承住斜坡202的支撑架形状，平板模型201水平放置在支承底座203上面；支承底座203的高度以平板模型201处于实验舱4中超声速喷管3的出口中心位置为准，平板模型201前端可以伸入超声速喷管3的出口，与其零间距，或者保持较小间距。

4.如权利要求3所述的超声速分离区产生装置，其特征在于，为方便变换斜坡202的角度，将压缩拐角流动测试模型5设计为可拆卸结构，保证平板模型201、斜坡202和支承底座203之间能够拆卸，即，斜坡202易于从平板模型201上拆卸下来，平板模型201易于从支承底座203上拆卸下来；另外，支承底座203制作成部分可拆卸或不可拆卸一体化结构。

5.如权利要求3所述的超声速分离区产生装置，其特征在于，支承底座203高度范围在1080mm～1280mm；平板模型201总长度在220～600mm范围内，宽度范围在50～160mm；斜坡202高度范围在10～30mm，斜坡角度范围为10°～30°。

6.如权利要求5所述的超声速分离区产生装置，其特征在于，支承底座203高度为1180mm；平板模型201总长度为440mm，宽度为110mm；斜坡202高度为20mm，斜坡角度选取20°、22°、24°、26°、28°、30°共六种角度进行更换。

7.一种基于高速纹影的超声速分离区测量装置，其特征在于，包括：氙光灯401，光栅402，第一凹球面反射镜403，第一光学玻璃404，第二光学玻璃405，第二凹球面反射镜406，平面镜407，刀口408，高速相机409，图像后处理装置4010；

上述权利要求1至6的任何一项所述的超声速分离区产生装置竖直放置，扩张段1在下，实验舱4在上；

氙光灯401、光栅402、第一凹球面反射镜403、第一光学玻璃404放置在超声速流场一侧；第二凹球面反射镜406、第二光学玻璃405、平面镜407，刀口408，高速相机409放置在超声速流场另一侧；

自右向左，第一凹球面反射镜403、第一光学玻璃404、第二光学玻璃405、第二凹球面反射镜406之间存有间距且具有相同的水平光轴，第二光学玻璃405和第一光学玻璃404分别位于实验舱4左右，将实验舱4夹在中间，两块光学玻璃之间的区域，即为超声速流动分离测试区域，与实验舱4存有间距或无间距；氙光灯401、光栅402位于实验舱4外右上方位置，氙光灯401正对着光栅402发射出汇聚的氙光，光栅402位于该汇聚氙光的焦平面处，氙光经过光栅后形成标准的圆形光斑；之后投射到第一凹球面反射镜403上，氙光经过第一凹球面反射镜403的反射，形成平行光束向左传播；该平行光束依次透射过第一光学玻璃404、实验舱4、第二光学玻璃405，使得输出的光信号中含有压缩拐角流动测试模型5的流场结构信息；之后所述光信号被发射给第二凹球面反射镜406，经过第二凹球面反射镜406反射后，所述光信号变成汇聚光，之后再发散，并继续传播给位于第二凹球面反射镜406右下方的平面镜407；平面镜407将含有所述光信号反射给高速相机409；

在平面镜407和高速相机409之间的适当位置处设置刀口408，用于切光；高速相机409对含有压缩拐角流动测试模型5的流场结构信息的光信号进行采集，并传输给图像后处理装置4010。

8.如权利要求7所述的基于高速纹影的超声速分离区测量装置，其特征在于，

光栅402设有调节装置，用于调节光栅大小，控制进光量，并设有位置微调支架，保证光栅402位于光源发射出的汇聚氙光的焦平面处；

第一凹球面反射镜403设有角度调节装置，保证光束顺利通过压缩拐角流动测试模型5，第一凹球面反射镜403、第二凹球面反射镜406直径为50～500mm。

9.一种基于高速纹影的超声速分离区测量方法，其特征在于，包括下列步骤：

Step1：当风洞启动时，基于高速纹影的超声速分离区测量装置开始工作，氙光灯401正对着光栅402发射出汇聚的氙光，光栅402位于该汇聚氙光的焦平面处，氙光经过光栅后形成标准的圆形光斑；

Step2：所述氙光光斑投射到第一凹球面反射镜403上，氙光经过第一凹球面反射镜403的反射，形成平行光束向左传播；

Step3：所述平行光束依次透射过第一光学玻璃404、实验舱4、第二光学玻璃405，使得输出的光信号中含有压缩拐角流动测试模型5的流场结构信息；

Step4：所述光信号被发射给第二凹球面反射镜406，经过第二凹球面反射镜406反射后，所述光信号变成汇聚光，之后再发散，并继续传播给位于第二凹球面反射镜406右下方的平面镜407；

Step5：平面镜407将含有所述光信号反射给高速相机409；在平面镜407和高速相机409之间的适当位置处设置刀口408，用于切光，使得高速相机409成像清晰；

Step6：高速相机409对含有压缩拐角流动测试模型5的流场结构信息的光信号进行采集，并传输给图像后处理装置4010进行数据处理，实现超声速流动分离区的可视化定量测量。

10.一种针对压缩拐角超声速流场结构的纹影图像处理方法，其特征在于，包括下列步骤：

1.纹影视频采集

高速相机409内部含有嵌入式的视频采集系统，实现剪切移植、多任务并行、实时采集等多项功能；基于PC高性能处理，前端视频数据通过高速局域网络传输至PC端进行采集；PC采集系统通过高速局域网络实现录像数据共享，PC端还包含一个数据分析微机，授权之后可实时观看试验纹影视频；

2.视频分帧操作与图像选取

PC端后处理软件包含视频分帧操作，输出不同时刻的视频片段，并根据需要可以选取输出图像数据量的大小，最终导出图片文件；

3.折射率梯度计算

光束以平行光束的形式穿过压缩拐角流动测试区域，因为流畅测试区域的气流扰动，光束的折射率梯度产生了变化，在对折射率离散分布介质中的光线追迹过程中，所需空间点的折射率及其梯度采用距离加权插值和Barron梯度算子进行求解；求解结果为数字灰度矩阵，最终在高速相机成像显示上为包含流场结构特征的黑白图像；

4.rms收敛性判定

进一步对获得连续纹影图片序列的图像强度进行收敛性分析；I_mean和I_RMS分别为图像强度平均值和图像强度均方根；数据量包含S个样本，残差量

其定义为N张图像的图像强度场平均值

与N-1张纹影强度场平均值

之差的绝对值；

纹影强度场均方根值

与N-1张纹影强度场均方根值

之差的绝对值

其中(i，j)分别代表图像水平方向和垂直方向上的第i(i^th)和第j(j^th)像素值；判定

和剩余残差量不超过0.1即为收敛；

5.计算纹影强度场的均方根分布

在步骤4纹影强度场的均方根残差具备收敛性的基础上，进一步计算纹影强度场每一个像素位置的均方根I_RMS的分布，样本容量为S；

上述公式的数学含义为图像强度的脉动水平，对应的物理含义则表示各个区域对应流场结构的脉动水平；需要说明的是，只有证明I(i，j)_RMS具有收敛性，上述公式才具有物理含义，否则无意义；

6.分离区大小、位置判定

根据步骤5获得的纹影强度场的均方根I_RMS的分布，绘制I_RMS轮廓云图，并标注等值线，根据云图中脉动强度的分布可以进一步锁定流场结构，云图中不同脉动强度区域会出现明显的边界特征，在靠近压缩拐角附近出现明显的等值区域，即可认定出该区域对应的流场结构为分离区；可以根据云图中压缩拐角处脉动强度的边界确定分离区的位置和大小。

Images