CN113188746A - 一种非接触式区域流体涡量测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非接触式区域流体涡量测量方法，包括：根据待测涡流区域和传声器阵列的几何尺寸，设置声源，流场中所述待测涡流区域及声源识别系统中所述传声器阵列的相对位置；开启涡流产生装置，使所述待测涡流区域的涡流达到待测状态，并开启所述声源发射声音信号；所述声源识别系统接收穿过所述待测涡流区域的所述声音信号并进行数据分析获取所述待测涡流区域的所述涡量。本发明对被检测气流无污染且测量的总涡量较为准确；在大尺寸的风洞中，由于测试范围较大，现有技术中的激光激发器功率、光学传感器的像素都需要大幅增加，成本急剧上升，而本发明在此类情况下不受影响，优势很大。

Description

一种非接触式区域流体涡量测量方法
技术领域
本发明涉及风洞试验技术领域，具体涉及一种非接触式区域流体涡量测量方法。
背景技术
风洞实验是进行流体研究必不可少的手段，为了不干扰流体原本的运动，非接触式测量是获得流体运动参数、规律等需要捕捉目标的有效技术手段。目前使用较为广泛的非接触式流体测量技术主要有PIV(Particle Image Velocimetry，粒子图像测速法)技术、超高帧频NPLS(Nano-tracer Planar Laser Scattering，纳米平面激光散射)技术、激光聚焦纹影技术。此类技术都是通过光学原理捕捉部分流体的运动轨迹，测量流体运动速度等部分流场的信息，整个湍流场的测试技术还有待完善。此外由于湍流场流动的复杂性，测量得到的流场速度信息量巨大，对数据分析处理能力的要求很高，较长时间测量得到的数据进行统计分析也存在较大困难。
光学测量通过追踪流体中粒子不同时刻的相对位置获得当地速度，再用速度求解如涡量的其它流体参量，其数学过程非常复杂，且PIV光学测量需要在流体中添加荧光微粒，对气流有一定的污染，光学测量需要用激光激发反射，再用CCD(Charge CoupledDevice，电耦合器件)拍摄，当测试范围较大时(如在大尺寸的风洞中)激光激发器的功率、光学传感器的像素都需要大幅增加，成本急剧上升。因此，如何解决对检测气流的污染问题，且在大尺寸风洞情况下实现对涡量的准确测量是目前有待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何解决对检测气流的污染问题，且在大尺寸风洞情况下实现对涡量的准确测量，提供一种非接触式区域流体涡量测量方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种非接触式区域流体涡量测量方法，所述测量方法包括：
根据待测涡流区域和传声器阵列的几何尺寸，设置声源，流场中所述待测涡流区域及声源识别系统中所述传声器阵列的相对位置；
开启涡流产生装置，使所述待测涡流区域的涡流达到待测状态，并开启所述声源发射声音信号；
所述声源识别系统接收穿过所述待测涡流区域的所述声音信号并进行数据分析获取所述待测涡流区域的所述涡量。
进一步地，所述几何尺寸包括：所述待测涡流区域的横向几何尺寸和纵向几何尺寸及所述传声器阵列的横向几何尺寸和纵向几何尺寸；所述相对位置包括：所述声源与所述待测涡流区域间的距离及所述声源与所述传声器阵列间的距离。
进一步地，所述声源识别系统包括：多个麦克风组成的所述传声器阵列，光学摄像头，A/D转换器及采集分析软件；
所述光学摄像头获取所述声源的物理位置；
所述传声器阵列接收经过所述待测涡流区域折射后的所述声音信号并获取与所述声源相对应的表观声源的位置；
所述A/D转换器对所述经过所述待测涡流区域折射后的所述声音信号进行模数转换；
所述采集分析软件根据经过所述模数转换的所述声音信号及所述声源的物理位置和所述表观声源的位置计算声漂移量，并根据所述声漂移量，所述几何尺寸及所述相对位置获取所述涡量。
进一步地，所述声源可根据需要对所述声音信号的频率范围和幅值进行设置。
更进一步地，所述声音信号通过所述声源的扬声器按指定方向发出，并通过流线型导流装置进行引导。
较佳地，所述传声器阵列的中轴线，所述待测涡流区域的中轴线及所述表观声源在同一直线上。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：对被检测气流无污染且测量的总涡量较为准确；在大尺寸的风洞中，由于测试范围较大，现有技术中的激光激发器功率、光学传感器的像素都需要大幅增加，成本急剧上升，而本发明在此类情况下不受影响，优势很大。
附图说明
图1为本发明一种非接触式区域流体涡量测量方法一实施例中的方法流程图；
图2为本发明一种非接触式区域流体涡量测量方法一实施例中的声源，待测涡流区域及传声器阵列相对位置在平行流动平面内关系图；
图3为本发明一种非接触式区域流体涡量测量方法一实施例中的声源，待测涡流区域及传声器阵列相对位置在垂直流动平面内关系图；
图4为本发明一种非接触式区域流体涡量测量方法一实施例中的射流声源漂移与声折射几何关系图；
图5为本发明一种非接触式区域流体涡量测量方法一实施例中的实际风洞指定区域涡量与对应的实测声折射量时间信号对比图；
图6为本发明一种非接触式区域流体涡量测量方法一实施例中的本发明测量与高精度仿真得到涡量相对脉动频谱对比图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示为本发明一种非接触式区域流体涡量测量方法的流程图：
S01：根据待测涡流区域和传声器阵列的几何尺寸，设置声源，流场中所述待测涡流区域及声源识别系统中所述传声器阵列的相对位置；
在一个示例中，如图2,图3所示，测量区域设置主要根据声源、待测涡流区域、传声器阵列三者之间的几何关系进行设置。首先要保证传声器阵列平行于流动方向。声源至待测涡流区域距离Lt，声源至传声器阵列距离LA，待测涡流区域的宽Wt高Ht，传声器阵列的宽WA高HA，声源与表观声源之间的声漂移量为d，所述相对位置间有如下正比关系：
Figure BDA0002972997010000041
其中，传声器阵列中轴线、待测涡流区域中轴线、表观声源需要保持在一条直线上。
S02：开启涡流产生装置，使所述待测涡流区域的涡流达到待测状态，并开启所述声源发射声音信号；
在一个示例中，通过电脑或相应播放设备，设置需要的声音信号的频率范围和幅值等，声音信号通过扬声器发出，具有较强的指向性。在扬声器外部有流线型导流装置，当该声源放置在流场内部时，仅在很小范围内影响流动。
S03：所述声源识别系统接收穿过所述待测涡流区域的所述声音信号并进行数据分析获取所述待测涡流区域的所述涡量。
在一个示例中，所述声源识别系统包含一个由多个麦克风通道组成的平面传声器阵列，包含用于确定声源物理位置的光学摄像头，包含具有高动态采样率的A/D转换器，包含使用波束成形声源定位算法的采集分析软件，以及安装有上述软件并进行数据分析的电脑。
在一个示例中，如图4所示，为根据声波传播与流体介质间理论关系反推目标区域流体涡量的基本原理图。上述基本原理图为使用流线型声源、传声器阵列以及相应声源识别算法，并根据声音信号产生与接收关系反推目标区域流体涡量的非接触式测试方法，通过此方法可得到包括但不限于射流剪切层的目标区域内体积平均涡量随时间变化的量值。
声波传播服从的基本规律是波传递速度的连续性，从运动介质中声波的程函方程推导得，流体中传播的声线矢量
Figure BDA0002972997010000051
与流经区域流动旋度有如下关系：
Figure BDA0002972997010000052
其中，c0为声速，U为射流速度，以上声线方程表征的物理意义是声线方向的变化是由流速的旋度
Figure BDA0002972997010000053
引起的，涡量ω是用于描述流速旋度物理量，定义为流体速度矢量的旋度，涡量的单位是秒分之一(s-1)。可以通过测量声折射角反推声波途径区域的涡量值。实际测量中，可通过下式计算出目标区域涡量Ωt，式中Ht为测量区域高度、Wt为测量区域宽度、θz为测量得到的声线折射角。
Figure BDA0002972997010000054
由于流体流动产生的声折射角可以通过声源识别系统测量的声漂移量获取，具体计算方法为：
图中点S为真实声源所在位置，点S0为经过涡量区域折射后观测到的声源位置，称为表观声源，S与S0之间的距离即为声漂移量d，Ar表示处于静止空气的传声器阵列中心位置。
轴线v为通过真实声源S并与传声器阵列安装方向平行的直线，l为通过目标区域并与传声器阵列安装方向平行的直线，如试验为有射流环境，则l代表射流剪切层。
线段r’为在无射流情况下声线经过的路径，r’和v的夹角θ′称为静止空气传播角，试验时应保证θ′被设置为90°。
折线段r声线为实际传播经过的路径，在有射流条件下其与v的夹角，即有流传播角与θ′不同。声经过涡量集中区时，由于流体流速旋度的作用会产生折射，r在流场外与l的夹角θ0称为折射实际传播角，根据几何声学理论，在θ′为90°时，θ0也为90°。Lt为测量区域至声源距离、LA为阵列至声源距离。
折射角θz可用几何关系求解：
d＝Lt tanθz (3)
根据公式(3)和公式(2)间的关系，声源识别系统通过光学摄像头获取声源的物理位置，传声器阵列接收经过待测涡流区域折射后的声音信号并获取与所述声源相对应的表观声源的位置，A/D转换器对所述接收的信号进行模数转换。所述采集分析软件根据所述声源的物理位置和表观声源的位置计算声漂移量，并根据所述声漂移量和传声器阵列的几何尺寸，待测涡流区域的几何尺寸及声源，传声器阵列，待测涡流区域的相对位置关系并结合上述公式，对待测涡流区域中涡流的状态进行测量。
由于目前无其他测量手段测量非定常区域的涡量，因此，验证使用高精度大涡模拟算法、对实际风洞1：1模型进行数值仿真，并采用其他测试手段对仿真进行验证保证仿真的准确性。图5是本发明方法测量得到与高精度仿真得到的区域涡量时间信号的对比，其中，左图为本发明风洞试验实测声折射量随时间变化图，右图为高精度仿真得到涡量随时间变化图，可见两者的均值基本相等，随时间变化规律也相似。为进一步比较两者在时间方面的变化规律，将两者的相对脉动幅值进行时频转换，得到图6所示结果，证明两者在频域上也十分接近，峰值频率基频相等，衰减趋势也一致。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种非接触式区域流体涡量测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：
根据待测涡流区域和传声器阵列的几何尺寸，设置声源，流场中所述待测涡流区域及声源识别系统中所述传声器阵列的相对位置；
开启涡流产生装置，使所述待测涡流区域的涡流达到待测状态，并开启所述声源发射声音信号；
所述声源识别系统接收穿过所述待测涡流区域的所述声音信号并进行数据分析获取所述待测涡流区域的所述涡量。
2.如权利要求1所述的一种非接触式区域流体涡量测量方法，其特征在于，所述几何尺寸包括：所述待测涡流区域的横向几何尺寸和纵向几何尺寸及所述传声器阵列的横向几何尺寸和纵向几何尺寸；所述相对位置包括：所述声源与所述待测涡流区域间的距离及所述声源与所述传声器阵列间的距离。
3.如权利要求1所述的一种非接触式区域流体涡量测量方法，其特征在于，所述声源识别系统包括：多个麦克风组成的所述传声器阵列，光学摄像头，A/D转换器及采集分析软件；
所述光学摄像头获取所述声源的物理位置；
所述传声器阵列接收经过所述待测涡流区域折射后的所述声音信号并获取与所述声源相对应的表观声源的位置；
所述A/D转换器对所述经过所述待测涡流区域折射后的所述声音信号进行模数转换；
所述采集分析软件根据经过所述模数转换的所述声音信号及所述声源的物理位置和所述表观声源的位置计算声漂移量，并根据所述声漂移量，所述几何尺寸及所述相对位置获取所述涡量。
4.如权利要求1所述的一种非接触式区域流体涡量测量方法，其特征在于，所述声源可根据需要对所述声音信号的频率范围和幅值进行设置。
5.如权利要求4所述的一种非接触式区域流体涡量测量方法，其特征在于，所述声音信号通过所述声源的扬声器按指定方向发出，并通过流线型导流装置进行引导。
6.如权利要求1所述的一种非接触式区域流体涡量测量方法，其特征在于，所述传声器阵列的中轴线，所述待测涡流区域的中轴线及所述表观声源在同一直线上。
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