CN113484534A - 基于图像处理的超声速流场特征测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于图像处理的超声速流场特征测试系统及方法，该系统包括：流体发生组件；粒子生成组件，用于对流体进行加速降压，使流体降温凝华生成微米量级或者纳米量级的冰晶示踪粒子；流场测试段，用于接收具有冰晶示踪粒子的流体；图像获取组件，用于获取流场测试段内的流场粒子分布图像；结果分析组件，基于流场粒子分布图像得到流场测试段内的流体的流场参数。能够自发生成示踪粒子，且能够动态便捷的控制示踪粒子的粒径和密度，从而得到粒子跟随性好、图像分辨率高的实验结果，解决了PIV、NPLS粒子布撒困难，布撒不均、跟随性差等问题。还能有效解决固体示踪粒子粘附壁面及堆积导致的实验问题。
Description
技术领域
本发明涉及流场测量技术领域，具体是一种基于图像处理的超声速流场特征测试系统及方法。
背景技术
PIV(Particle Image Velocimetry，粒子图像测速法)是常见的流场测量的方法，能够生成捕捉含示踪粒子的图像信息，通过处理得到有效的流体速度、流场湍流度等有效流场信息，但目前PIV存在的普遍问题在于粒子布撒困难，粒子布撒困难，粒子跟随性不强，特别是对于高超声速流体，其流速过快，对粒子的跟随性要求更高，导致生成捕捉的图像质量不佳，是当前制约PIV技术实际应用的重点问题，而且在进行高超声速实验时，示踪粒子的粘附性也会造成壁面污染，影响实验质量、甚至影响高超声速实验台的正常工作。
NPLS(Nano-tracer Planar Laser Scattering，纳米示踪平面激光散射技术)作为能够获得高分辨率流场特性图像的可视化分析方法，通过生成捕捉包含k-h涡、激波、混合层发展与滑移线等流场细部结构的高分辨率图像，通过分析图像研究其流场结构和演化过程，其同样存在粒子布撒困难、粒子跟随性不强的问题。
示踪粒子的跟随性和光散射特性主要取决于示踪粒子材料的密度和粒径，相同的示踪粒子，示踪粒子的粒径越小，跟随性就越好，数据可信度越高，但粒子粒径不能过小，会影响成像信噪比。
目前现有技术中大多通过离子发生器喷出固体粒子作为示踪粒子，例如发明专利《一种用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器》(公开号：CN112229597A)示出了一种PIV示踪粒子发生器，其通过机械结构(Laskin喷嘴和管路布置)实现粒子均匀布置。发明专利《用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子浓度控制方法》(公开号：CN112197934A)通过控制喷嘴数量，实现示踪粒子密度控制。发明专利《基于高超声速脉冲风洞的进气道流场NPLS测量系统及方法》(授权公告号：CN103149010B)也是利用粒子发生器注入固体纳米粒子，完成示踪粒子布撒。上述现有技术，不仅都需要专门用到结构复杂的粒子发生器，且采用传统的固体粒子，例如TiO2，MgO等，不仅价格或制作成本都比较高，而且其调节示踪粒子密度比较机械，且一般难以调节示踪粒子的粒径。若是需要微米级或纳米级的固体粒子，将会更加昂贵。而且，采用通过离子发生器喷出固体粒子时，还会出现几个固体离子粘接成团导致成像效果较差的问题。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于图像处理的超声速流场特征测试系统及方法，能够自发生成示踪粒子，且能够动态便捷的控制示踪粒子的粒径和密度，从而得到粒子跟随性好、图像分辨率高的PIV/NPLS实验结果，解决了常规PIV、NPLS粒子布撒困难，布撒不均、跟随性差等问题。同时还能有效解决固体示踪粒子粘附壁面及堆积导致的实验问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于图像处理的超声速流场特征测试系统，包括：
流体发生组件，用于产生流体；
粒子生成组件，与所述流体发生组件相连，用于对流体进行加速降压，使流体降温凝华生成微米量级或者纳米量级的冰晶示踪粒子；
流场测试段，与所述粒子生成组件相连，用于接收具有冰晶示踪粒子的流体；
图像获取组件，设在所述流场测试段上，用于获取流场测试段内的流场粒子分布图像；
结果分析组件，与图像获取组件电联，并基于流场粒子分布图像得到流场测试段内的流体的流场参数。
在其中一个实施例中，所述粒子生成组件包括超声速喷管、引射急冷段与粒子生成混合段；
所述流体发生组件包括具有高压气体的第一压力储罐，所述第一压力储罐的输出端与所述超声速喷管的收缩端相通，以将高压流体输入所述超声速喷管，使其经过加速降压后转换成超声速低温射流并经由所述超声速喷管的扩张端输出；
所述引射急冷段的输入端与所述超声速喷管的扩张端相通，且所述引射急冷段的输入端设有空气引射口，以将空气引射至引射急冷段；
所述粒子生成混合段的输入端与所述引射急冷段的输出端相通，用于混合空气与所述超声速低温射流，使得空气中的水蒸气急冷生成所述冰晶示踪粒子，所述粒子生成混合段的输出端与所述流场测试段的输入端相通。
在其中一个实施例中，所述粒子生成组件包括超声速喷管；
所述流体发生组件包括第二压力储罐与第三压力储罐，所述第二压力储罐内具有高压的易凝华气体，所述第三压力储罐内具有高压的分散气体；
所述第二压力储罐的输出端、第三压力储罐的输出端均与所述超声速喷管的输入端相通，以使得所述易凝华气体、所述分散气体在所述超声速喷管内经过加速降压产生急冷，使得所述易凝华气体自发冷凝产生所述冰晶示踪粒子；
所述超声速喷管的输出端与所述流场测试段的输入端相通。
在其中一个实施例中，所述易凝华气体包括但不限于CO2、氟利昂。
在其中一个实施例中，所述图像获取组件包括：
透光视窗，设在所述流场测试段顶部和/或底部的壁上，用于透光；
激光发生器，用于产生激光，并通过激光透过所述透光视窗照亮所述流场测试段内的流场；
观察视窗，设在所述流场测试段侧部的壁上，用于拍摄；
相机，用于透过所述观察视窗得到所述流场测试段内被照亮后的流场粒子分布图像。
为实现上述目的，本发明还提供一种基于图像处理的超声速流场特征测试方法，采用上述基于图像处理的超声速流场特征测试系统，具体包括如下步骤：
步骤1，获取多个间隔时间极短的采样时刻的流场粒子分布图像，并按时间排序得到流场粒子分布图像序列；
步骤2，基于流场粒子分布图像序列与粒子匹配算法得到流场粒子分布图像序列中粒子簇的速度矢量分布；
步骤3，剔除粒子簇的速度矢量分布中的误配矢量，得到流场测试段内的流体的速度矢量场。
本发明提供的一种基于图像处理的超声速流场特征测试系统及方法，具有如下有益技术效果：
1)采用自发生成示踪粒子的方式，通过自发生成冰晶示踪粒子并混合，使得粒子布撒的均匀性得以保障，且自发生成的冰晶示踪粒子为微米级或纳米级粒径，其跟随性较好；
2)通过自发产生示踪粒子的方式，利用空气中的水蒸气或者CO2、氟利昂等易凝华气体，其成本远低于固体粒子(TiO2，MgO)，且无需用到专门的粒子发生器，降低成本；
3)通过自发产生示踪粒子的方式，产生的冰晶作为示踪粒子，实验完成后能够自行升华或者融化，不会对实验系统造成损坏或污染，不必像传统固体粒子实验一样，因为粒子粘连表面，需要频繁擦拭实验段；
4)通过得到的图像信息进行调整，则可以实现图像生成的动态调节，最大限度保证系统的图像质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例中基于图像处理的超声速流场特征测试系统的整体示意图；
图2为本发明实施例中流体发生组件与粒子生成组件的第一种实施方式示意图；
图3为本发明实施例中流体发生组件与粒子生成组件的第二种实施方式示意图。
附图标号：
流体发生组件10、第一压力储罐101、第二压力储罐102、第三压力储罐103；
粒子生成组件20、超声速喷管201、引射急冷段202、粒子生成混合段203、空气引射口204；
流场测试段30；
透光视窗401、观察视窗402、激光发生器403、相机404、激光片光405；
高压气体501、超声速低温射流502、空气503、易凝华气体504、分散气体505、冰晶示踪粒子506、混合气流507。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1所示为本实施例公开的一种基于图像处理的超声速流场特征测试系统，包括流体发生组件10、粒子生成组件20、流场测试段30、图像获取组件与结果分析组件。其中，流体发生组件10用于产生流场测试过程中的流体；粒子生成组件20与流体发生组件10相连，使得流体进入粒子生成组件20后被加速与降压，使流体急速降温凝华生成微米量级或者纳米量级的冰晶示踪粒子506；流场测试段30与粒子生成组件20相连，用于接收具有冰晶示踪粒子506的流体；图像获取组件设在流场测试段30上，用于获取流场测试段30内的流场粒子分布图像；结果分析组件与图像获取组件电联，并基于流场粒子分布图像得到流场测试段30内的流体的流场参数。
具体地，图像获取组件包括透光视窗401、观察视窗402、激光发生器403与相机404。其中，透光视窗401设在流场测试段30顶部和/或底部的壁上，用于透光；激光发生器403用于产生激光，并通过激光透过透光视窗401照亮流场测试段30内的流场；观察视窗402设在流场测试段30侧部的壁上，用于拍摄；相机404用于透过观察视窗402得到流场测试段30内被照亮后的流场粒子分布图像。
本实施例中，测试过程为均匀混合有自发生成冰晶示踪粒子506的气流流入流场测试段30。激光发生器403产生激光片光405，经由透光视窗401传导转化为能恰好聚焦成像平面的薄片光，一般高超声速实验激光源优选双脉冲Nd：YAG激光器，其激光波长为532nm，其产生两束激光的时间间隔极短。经由流场测试段30成像平面的自发生成冰晶示踪粒子506在激光片光405的作用下，产生瑞利散射或米氏散射，向外发出光信号，经由垂直于成像平面的相机404捕捉光信号，形成流场粒子分布图像，单张和多张流场粒子分布图像传至结果分析组件。结果分析组件记录存储流场粒子分布图像，通过具有时间相关性的两张图像，针对流场粒子分布图像内冰晶示踪粒子506分布进行互相关处理，则可以得到高空间分辨率的PIV处理结果。而且自发生成的冰晶粒子跟随性好、瑞利散射效果佳，能够得到高分辨率的NPLS图像，分析精细的流场结构。
本实施例中，针对不同马赫数流场，采用不同的冰晶示踪粒子506生成方法。对于马赫数较低的情况(小于马赫2)，采用低温射流极冷空气，促使空气中水蒸气冷凝为微米级或纳米级冰晶示踪粒子506，并通过极冷度调整冰晶示踪粒子506的粒径，满足PIV、NPLS、MPLS等可视化测量需求。对于马赫数较高的情况(大于或等于马赫2)，其流场对应的静温足够低，则可以采用CO2、氟利昂等易凝华气体504自发生成冰晶示踪粒子506，通过控制易凝华气体504与分散气体505的混合量则可以改变冰晶示踪粒子506密度，满足PIV、NPLS、MPLS等可视化测量需求。
参考图2，为自发生成冰晶示踪粒子506的第一种实施方式，该种实施方式下的流场速度小于马赫2。具体地，在该种实施方式下，粒子生成组件20包括超声速喷管201、引射急冷段202与粒子生成混合段203，流体发生组件10包括具有高压气体501的第一压力储罐101，第一压力储罐101的输出端与超声速喷管201的收缩端相通，以将高压气体501输入超声速喷管201，使其经过加速降压后转换成超声速低温射流502并经由超声速喷管201的扩张端输出；引射急冷段202的输入端与超声速喷管201的扩张端相通，且引射急冷段202的输入端设有空气引射口204，以将空气503引射至引射急冷段202；粒子生成混合段203的输入端与引射急冷段202的输出端相通，用于混合空气503与超声速低温射流502，使得空气503中的水蒸气急冷生成冰晶示踪粒子506，粒子生成混合段203的输出端与流场测试段30的输入端相通。其中，高压气体501为惰性气体或氮气、脱水空气等不参与反应的气体。
上述第一种实施方式的工作过程为：第一压力储罐101内的高压气体501经超声速喷管201(Ma<2)后由高压到低压，在引射急冷段202产生超声速低温射流502，同时引射急冷段202上的空气引射口204引射空气503，使得超声速低温射流502与空气503在粒子生成混合段203混合，促使空气503快速降温，从而使得空气503中的水蒸气凝华形成小冰晶，冰晶示踪粒子506与气体在粒子生成混合段203充分混合后进入流场测试段30，通过自发生成粒子得到的冰晶示踪粒子506在流场测试段30内经由激光片光405点亮，则可以由相机404获得高分辨率图像，可以作为NPLS图像分析流场结构等定性信息，通过两张或者多张图像的互相关处理，由PIV方法能够获得速度场、湍动能、加速度场等定量信息。其中，自发凝华生成的小冰晶为微米量级或者纳米量级，其跟随性好。进一步地，通过控制第一压力储罐101所输出高压气体501的压力即可控制超声速低温射流502的流量，从而改变超声速低温射流502与空气503的混合占比，即改变冰晶示踪粒子506的占测试气流的密度比。同时由于超声速喷管201的出口面积/喉部面积越大，超声速喷管201出口处超声速低温射流502的温度越低，与空气503的温差越大，其通过混合急冷得到的冰晶示踪粒子506的粒径越大，因此通过更换不同的超声速喷管201，则可以得到不同粒径的冰晶示踪粒子506。
参考图3，为自发生成冰晶示踪粒子506的第二种实施方式，该种实施方式下的流场速度大于或等于马赫2，将压缩完备的混合气流507(分散气体505与易凝华气体504混合)直接作为超声速流场的气源，即可自发产生冰晶示踪粒子506，由于是自发生成的冰晶示踪粒子506，其均匀性、跟随性能在最大程度得到保证。具体地，在该种实施方式下，粒子生成组件20包括超声速喷管201；流体发生组件10包括第二压力储罐102与第三压力储罐103，第二压力储罐102内具有高压的易凝华气体504，第三压力储罐103内具有高压的分散气体505；第二压力储罐102的输出端、第三压力储罐103的输出端均与超声速喷管201的输入端相通，以使得易凝华气体504、分散气体505在超声速喷管201内经过加速降压产生急冷，使得易凝华气体504自发冷凝产生冰晶示踪粒子506；超声速喷管201的输出端与流场测试段30的输入端相通。其中，易凝华气体504包括但不限于CO2、氟利昂，分散气体505为或氮气、脱水空气等不参与反应的气体。
上述第二种实施方式的工作过程为：易凝华气体504与分散气体505由第二压力储罐102、第三压力储罐103调压出来后，在超声速喷管201的入口处混合，混合充分后经过超声速喷管201(Ma≥2)，当混合气流507速度过快，对应的混合气流507温度低于对应易凝华气体504当前混合分压下的凝华温度，混合气流507中的易凝华气体504分子则会自发冷凝产生冰晶示踪粒子506，该自发冷凝产生的粒子布置均匀性很好，经超声速喷管201加速的产生的含示踪粒子的气流则可直接作为测试来流进入流场测试段30，通过自发生成粒子得到的冰晶示踪粒子506在流场测试段30内经由激光片光405点亮，则可以由相机404获得高分辨率图像，可以作为NPLS图像分析流场结构等定性信息，通过两张或者多张图像的互相关处理，由PIV方法能够获得速度场、湍动能、加速度场等定量信息。其中，通过更改分散气体505与易凝华气体504的混合比，则可控制冰晶示踪粒子506在流场中的密度分布，达到动态调控的目的。还可以通过更换不同的超声速喷管201，可以获得不同来流速度的测试流体。
上述两种实施方式中，还可以通过捕捉流场粒子分布图像来分析检测自发生的冰晶示踪粒子506质量，进行动态调整。以NPLS图像为例，通过在流场测试段30内放置激波发生器，通过激波前后的冰晶示踪粒子506变化可以检测冰晶示踪粒子506的粒径能否达到纳米级别(参照专著《超声速流场NPLS精细测量测试技术及典型应用》)。检测过程中，激波发生器产生激波，若激波面之后流体静温提升，冰晶示踪粒子506消失，则说明冰晶示踪粒子506的粒径达到纳米量级，其跟随性满足高超声速实验要求，能够很好的表现高超流场中激波、漩涡等流场特性。而对所得的NPLS图像进行灰度分析和图像识别，分析图像的平均亮度、粒子和背景的明暗对比度以及噪点数量，则能够获取NPLS图像的信噪比、图像成像锐度宽容度等图像信息，并结合流体力学分析其中的激波、涡等结构，对图像进行综合评价，进而调整示踪粒子的密度和粒径，对图像进行动态优化。
基于上述基于图像处理的超声速流场特征测试系统，本实施例还公开了一种基于图像处理的超声速流场特征测试方法，具体包括如下步骤：
步骤1，获取多个间隔时间极短的采样时刻的流场粒子分布图像，并按时间排序得到流场粒子分布图像序列，例如若用于NPLS，则采样间隔为10～20ms，若用于PIV，则采样间隔为0～1ms；
步骤2，基于流场粒子分布图像序列与粒子匹配算法得到流场粒子分布图像序列中粒子簇的速度矢量分布；
步骤3，剔除粒子簇的速度矢量分布中的误配矢量，得到流场测试段30内的流体的速度矢量场。
在上述方法中，若采用上述第一种实施方式自发生成冰晶示踪粒子506时，通过控制第一压力储罐101所输出高压气体501的压力即可控制超声速低温射流502的流量，从而改变超声速低温射流502与空气503的混合占比，即改变冰晶示踪粒子506的占测试气流的密度比，还可通过更换不同的超声速喷管201，则可以得到不同粒径的冰晶示踪粒子506。
在上述方法中，若采用上述第二种实施方式自发生成冰晶示踪粒子506时，通过更改分散气体505与易凝华气体504的混合比，则可控制冰晶示踪粒子506在流场中的密度分布，达到动态调控的目的，还可通过更换不同的超声速喷管201，则可以得到不同粒径的冰晶示踪粒子506以及不同来流速度的测试流体。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于图像处理的超声速流场特征测试系统，其特征在于，包括：
流体发生组件，用于产生流体；
粒子生成组件，与所述流体发生组件相连，用于对流体进行加速降压，使流体降温凝华生成微米量级或者纳米量级的冰晶示踪粒子；
流场测试段，与所述粒子生成组件相连，用于接收具有冰晶示踪粒子的流体；
图像获取组件，设在所述流场测试段上，用于获取流场测试段内的流场粒子分布图像；
结果分析组件，与图像获取组件电联，并基于流场粒子分布图像得到流场测试段内的流体的流场参数。
2.根据权利要求1所述基于图像处理的超声速流场特征测试系统，其特征在于，所述粒子生成组件包括超声速喷管、引射急冷段与粒子生成混合段；
所述流体发生组件包括具有高压气体的第一压力储罐，所述第一压力储罐的输出端与所述超声速喷管的收缩端相通，以将高压流体输入所述超声速喷管，使其经过加速降压后转换成超声速低温射流并经由所述超声速喷管的扩张端输出；
所述引射急冷段的输入端与所述超声速喷管的扩张端相通，且所述引射急冷段的输入端设有空气引射口，以将空气引射至引射急冷段；
所述粒子生成混合段的输入端与所述引射急冷段的输出端相通，用于混合空气与所述超声速低温射流，使得空气中的水蒸气急冷生成所述冰晶示踪粒子，所述粒子生成混合段的输出端与所述流场测试段的输入端相通。
3.根据权利要求1所述基于图像处理的超声速流场特征测试系统，其特征在于，所述粒子生成组件包括超声速喷管；
所述流体发生组件包括第二压力储罐与第三压力储罐，所述第二压力储罐内具有高压的易凝华气体，所述第三压力储罐内具有高压的分散气体；
所述第二压力储罐的输出端、第三压力储罐的输出端均与所述超声速喷管的输入端相通，以使得所述易凝华气体、所述分散气体在所述超声速喷管内经过加速降压产生急冷，使得所述易凝华气体自发冷凝产生所述冰晶示踪粒子；
所述超声速喷管的输出端与所述流场测试段的输入端相通。
4.根据权利要求3所述基于图像处理的超声速流场特征测试系统，其特征在于，所述易凝华气体包括但不限于CO2、氟利昂。
5.根据权利要求1至4任一项所述基于图像处理的超声速流场特征测试系统，其特征在于，所述图像获取组件包括：
透光视窗，设在所述流场测试段顶部和/或底部的壁上，用于透光；
激光发生器，用于产生激光，并通过激光透过所述透光视窗照亮所述流场测试段内的流场；
观察视窗，设在所述流场测试段侧部的壁上，用于拍摄；
相机，用于透过所述观察视窗得到所述流场测试段内被照亮后的流场粒子分布图像。
6.一种基于图像处理的超声速流场特征测试方法，其特征在于，采用权利要求1至7任一项所述基于图像处理的超声速流场特征测试系统，具体包括如下步骤：
步骤1，获取多个间隔时间极短的采样时刻的流场粒子分布图像，并按时间排序得到流场粒子分布图像序列；
步骤2，基于流场粒子分布图像序列与粒子匹配算法得到流场粒子分布图像序列中粒子簇的速度矢量分布；
步骤3，剔除粒子簇的速度矢量分布中的误配矢量，得到流场测试段内的流体的速度矢量场。
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