CN112149366B - 一种基于流动显示技术的阵风流场校测方法 - Google Patents

一种基于流动显示技术的阵风流场校测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于流动显示技术的阵风流场校测方法，首先根据阵风流场特性为周期性变化的准稳态流场，确定使用相位锁定方案完成不同相位角下的空间流场校测，采用同一相位角下重复采集多组数据进行平均消除系统随机误差；同一相位角下在不同截面处分别完成阵风流场测量，最后通过图像拼接技术得到阵风流场整个校测区域的流场分布特性，进而得到此相位角下该剖面阵风流场校测结果。对相邻两测量剖面结果在重叠区域进行拼接得到相邻两剖面合成结果，依次对相邻剖面进行拼接得到整个校测区域阵风场合成结果。本方法通过PIV技术进行阵风流场校测，不需要进行模型简化，更加直接准确获得阵风流场数据。

Description

一种基于流动显示技术的阵风流场校测方法
技术领域
本发明涉及一种基于流动显示技术的阵风流场校测方法。
背景技术
一般来讲阵风载荷会对大型客机的安全性、舒适性、经济性、可靠性带来严重影响，因此准确预测阵风载荷成为飞机设计阶段必须进行的一项重要工作。预测阵风载荷的主要手段是风洞试验，为了在风洞中产生需要的阵风场，需要借助于阵风发生器，阵风流场品质等相关性能的验证需要通过阵风流场校测技术来完成。目前国内的阵风流场校测技术还不成熟，主要工作集中在数值模拟计算来获得阵风流场数据，数值模拟由于进行较多简化使得结果数据在定性上具有一定参考意义，定量上则与真实结果存在一定偏差。少数具有风洞阵风流场校测试验能力的科研机构也仅仅是采用热线或五孔探针进行阵风流场校测，此种方法得到的结果虽然比数值模拟精度高，但是由于只进行空间个别点的测量使得得到的数据比较有限，无法对阵风流场特性进行较全面的认识，特别是阵风速度场空间波形分布特性的校测目前国内还处于空白阶段。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于流动显示技术的阵风流场校测方法，不需要进行模型简化，更加直接准确获得阵风流场数据。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种基于流动显示技术的阵风流场校测方法，步骤如下：
步骤一、确定阵风流场校测空间长度：为获得阵风流场完整波形特征，需校测长度等于阵风流场空间波形波长，通过下列各式推导出阵风流场空间波形波长计算公式，进而确定阵风流场校测空间长度，
阵风发生器叶片摆动方程：
α＝α0sin(2πf0t) (1)
vy＝v0sin(2πft) (2)
f＝f0 (3)
λ＝1/f*V (4)
其中：α0—叶片振荡幅度，f0—叶片摆动频率，t—时间；vy—阵风流场中各点y向速度型，v0—阵风速度幅值，f—阵风频率；V—风速，λ—阵风流场波长，
通过式(1)～(4)得到阵风场波长，即阵风流场校测空间长度；
步骤二、基于PIV流动显示技术进行阵风流场校测区域划分：采用PIV流动显示方法进行阵风流场校测，需分多个截面进行分别测量，然后通过图像拼接方法得到整个阵风流场波形图；令校测次数为n，即校测截面数，计算式如下：
Figure BDA0002721684040000021
步骤三、阵风发生器0°相位角下第一截面阵风流场PIV测量：将阵风发生器调整至平衡位置，PIV测量截面调至第一截面，启动风洞至风速到达阵风场校测风速，启动阵风发生器，开启发烟装置，待阵风流场稳定后，设置阵风发生器触发相位角为0°，当阵风发生器运动到0°相位角时发送触发电信号给PIV测量系统，完成此相位角下的测量；
步骤四、阵风发生器其余相位角下阵风流场PIV测量：为得到阵风发生器不同相位角下的阵风流场的速度波形图，对其余多个相位角下阵风流场进行校测，在每个相位角下重复步骤三中步骤，得到不同相位角下第一截面的阵风流场校测结果；
步骤五、进行其余截面阵风发生器各个相位角下阵风流场PIV测量：将PIV测量面移到第二截面，重复步骤三～步骤四中的操作，完成第二截面位置各个相位角下的阵风流场测量，然后依次移动PIV系统到下一个截面，并重复步骤三～步骤四中的操作最终完成所有截面在不同相位角下阵风流场的测量；
步骤六、同一相位角下不同位置截面阵风流场拼接：取第一、第二截面0°相位角下的阵风流场校测结果，将后一截面重叠区域与前一截面拼接，得到0°相位角下，第一、第二截面阵风流场拼接结果，取第一、第二截面拼接结果和第三截面结果，重复以上操作，最终得到0°相位角下整个阵风流场波形图；在其它相位角下，重复以上操作分别得到其余相位角下的阵风流场空间波形图。
本发明还具有如下技术特征：
1、如上所述的步骤二、在图像拼接时取图像的10％区域作为重叠区进行拼接，并在重叠区域运用平均加光滑处理的方法得到理想的拼接效果。
2、如上所述的步骤三、为消除测量系统延时误差，试验前使用信号发生器测量出整个系统信号延时并在实际测量时进行延时补偿，在0°相位角下重复上述操作30次，得到30次测量结果，并将30次测量结果进行平均处理，最终平均结果作为0°相位角下该截面阵风场校测结果。
3、如上所述的步骤六、将后一截面10％的面积作为重叠区域与前一截面拼接，重叠区域进行速度平均并进行光滑处理，得到0°相位角下，第一、第二截面阵风流场拼接结果。
本发明的优点及有益效果：本方法通过PIV技术进行阵风流场校测，不需要进行模型简化，更加直接准确获得阵风流场数据，并通过PIV相位锁定技术获得多个截面同一相位角下的校测数据，为获得阵风流场空间波形分布特性提供支持。
附图说明：
图1为本发明原理示意图；
其中1、阵风发生器，2、试验风洞，3、测量截面，4、控制器，5、采集计算机，6、激光器，7、高速摄像机。
具体实施方式：
实施例1
一种基于流动显示技术的阵风流场校测方法，包含以下步骤：
(1)确定阵风流场校测空间长度。为获得阵风流场完整波形特征，需校测长度等于阵风流场空间波形波长，通过下列各式推导出阵风流场空间波形波长计算公式，进而确定阵风流场校测空间长度。
阵风发生器叶片摆动方程α＝α0sin(2πf0t) (1)
vy＝v0sin(2πft) (2)
f＝f0 (3)
λ＝1/f*V (4)
其中：，α0—叶片振荡幅度，f0—叶片摆动频率，t—时间；vy—阵风流场中各点y向速度型，v0—阵风速度幅值，f—阵风频率；V—风速，λ—阵风流场波长，通过式(1)～(4)可得到阵风场波长，即阵风流场校测空间长度。
(2)基于PIV流动显示技术进行阵风流场校测区域划分。本方法采用PIV流动显示技术进行阵风流场校测，其硬件支持单次最大500mm*500mm面积的平面区域测量。一般阵风流场速度波形波长远大于500mm，为了校测得到完整的阵风流场波形图，需分多个截面进行分别测量，然后通过图像拼接技术得到整个阵风流场波形图。本方法在图像拼接时取图像的10％区域作为重叠区进行拼接，并在重叠区域运用平均加光滑处理的方法得到较为理想的拼接效果。令校测次数为n，即校测截面数，计算式如下：
Figure BDA0002721684040000041
(3)阵风发生器0°相位角下第一截面阵风流场PIV测量。将阵风发生器调整至平衡位置，PIV测量截面调至第一截面，启动风洞至风速到达阵风场校测风速，启动阵风发生器，开启发烟装置，待阵风流场稳定后，设置阵风发生器触发相位角为0°，当阵风发生器运动到0°相位角时发送触发电信号给PIV测量系统，完成此相位角下的测量。为消除测量系统延时误差，试验前使用信号发生器测量出整个系统信号延时并在实际测量时进行延时补偿。在0°相位角下重复上述操作30次，得到30次测量结果，并将30次测量结果进行平均处理，最终平均结果作为0°相位角下该截面阵风场校测结果。
(4)阵风发生器其余相位角下阵风流场PIV测量。为得到阵风发生器不同相位角下的阵风流场的速度波形图，对其余多个相位角下阵风流场进行校测。在每个相位角下重复(3)中步骤，得到不同相位角下第一截面的阵风流场校测结果。
(5)进行其余截面阵风发生器各个相位角下阵风流场PIV测量。将PIV测量面移到第二截面，重复(3)、(4)中的操作，完成第二截面位置各个相位角下的阵风流场测量。然后依次移动PIV系统到下一个截面，并重复(3)、(4)中的操作最终完成所有截面在不同相位角下阵风流场的测量。
(6)同一相位角下不同位置截面阵风流场拼接。取第一、第二截面0°相位角下的阵风流场校测结果，将后一截面10％的面积作为重叠区域与前一截面拼接，重叠区域进行速度平均并进行光滑处理，得到0°相位角下，第一、第二截面阵风流场拼接结果。取第一、第二截面拼接结果和三截面结果，重复以上操作。最终得到0°相位角下整个阵风流场波形图。在其它相位角下，重复以上操作分别得到其余相位角下的阵风流场空间波形图。
试验过程中首先启动试验风洞2到指定风速，再启动阵风发生器1，等待流场稳定后，设置相位触发信号，当-阵风发生器1到达指定相位后信号传给控制器4，控制器4发出信号控制激光器6和高速摄像机7完成测量截面的阵风速度场测量，最后采集计算机5完成数据采集与处理得到阵风速度场结果。

Claims (4)

1.一种基于流动显示技术的阵风流场校测方法，其特征在于，方法步骤如下：
步骤一、确定阵风流场校测空间长度：为获得阵风流场完整波形特征，需校测长度等于阵风流场空间波形波长，通过下列各式推导出阵风流场空间波形波长计算公式，进而确定阵风流场校测空间长度，
阵风发生器叶片摆动方程：α＝α0sin(2πf0t) (1)
vy＝v0sin(2πft) (2)
f＝f0 (3)
λ＝1/f*V (4)
其中：α0-叶片振荡幅度，f0-叶片摆动频率，t-时间；vy-阵风流场中各点y向速度型，v0-阵风速度幅值，f-阵风频率；V-风速，λ-阵风流场波长，
通过式(1)～(4)得到阵风场波长，即阵风流场校测空间长度；
步骤二、基于PIV流动显示技术进行阵风流场校测区域划分：采用PIV流动显示方法进行阵风流场校测，需分多个截面进行分别测量，然后通过图像拼接方法得到整个阵风流场波形图；令校测次数为n，即校测截面数，计算式如下：
Figure FDA0002721684030000011
步骤三、阵风发生器0°相位角下第一截面阵风流场PIV测量：将阵风发生器调整至平衡位置，PIV测量截面调至第一截面，启动风洞至风速到达阵风场校测风速，启动阵风发生器，开启发烟装置，待阵风流场稳定后，设置阵风发生器触发相位角为0°，当阵风发生器运动到0°相位角时发送触发电信号给PIV测量系统，完成此相位角下的测量；
步骤四、阵风发生器其余相位角下阵风流场PIV测量：为得到阵风发生器不同相位角下的阵风流场的速度波形图，对其余多个相位角下阵风流场进行校测，在每个相位角下重复步骤三中步骤，得到不同相位角下第一截面的阵风流场校测结果；
步骤五、进行其余截面阵风发生器各个相位角下阵风流场PIV测量：将PIV测量面移到第二截面，重复步骤三～步骤四中的操作，完成第二截面位置各个相位角下的阵风流场测量，然后依次移动PIV系统到下一个截面，并重复步骤三～步骤四中的操作最终完成所有截面在不同相位角下阵风流场的测量；
步骤六、同一相位角下不同位置截面阵风流场拼接：取第一、第二截面0°相位角下的阵风流场校测结果，将后一截面重叠区域与前一截面拼接，得到0°相位角下，第一、第二截面阵风流场拼接结果，取第一、第二截面拼接结果和第三截面结果，重复以上操作，最终得到0°相位角下整个阵风流场波形图；在其它相位角下，重复以上操作分别得到其余相位角下的阵风流场空间波形图。
2.根据权利要求1所述的一种基于流动显示技术的阵风流场校测方法，其特征在于，步骤二、在图像拼接时取图像的10％区域作为重叠区进行拼接，并在重叠区域运用平均加光滑处理的方法得到理想的拼接效果。
3.根据权利要求2所述的一种基于流动显示技术的阵风流场校测方法，其特征在于，步骤三、为消除测量系统延时误差，试验前使用信号发生器测量出整个系统信号延时并在实际测量时进行延时补偿，在0°相位角下重复上述操作30次，得到30次测量结果，并将30次测量结果进行平均处理，最终平均结果作为0°相位角下该截面阵风场校测结果。
4.根据权利要求3所述的一种基于流动显示技术的阵风流场校测方法，其特征在于，步骤六、将后一截面10％的面积作为重叠区域与前一截面拼接，重叠区域进行速度平均并进行光滑处理，得到0°相位角下，第一、第二截面阵风流场拼接结果。
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