CN114166463B - 一种油流图谱与表面压力融合仿真可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油流图谱与表面压力融合仿真可视化方法，包括以下步骤：S1、将油和二氧化钛粉末的混合物涂在风洞实验中4轮起落架的车轮上，通过数码相机获得多个角度的车轮流态照片；S2、使用沿车轮周边从内测中心到外侧中心的测压点，测量表面压力；S3、通过数字粒子图像测速来确定平分轮垂直平面上的平均速度。本发明通过应用适当的可视化技术，描述了数据从不同的风洞试验组合成一个三维场景的过程。其结果是一个准确的高分辨重建的复合流场，使研究人员可视化地一次将多个试验数据关联起来，可以深入了解流场。

Description

一种油流图谱与表面压力融合仿真可视化方法

技术领域

本发明涉及风洞实验技术领域，具体涉及一种油流图谱与表面压力融合仿真可视化方法。

背景技术

风洞试验数据有多种形式，并且随着流畅品质变化。与计算流体动力学不同,计算每个网格点的值，风洞试验使用各种传感器在某些区域来直接和间接的测量。完整的测量一个物体周边的流动，通常是不切实际的。测量数据可以使定量信息，如表面压力值，也可以是定性的信息，如图片或流动模式的图像。从同一个模型不同的测量值,甚至在相同的流动条件下，也很难关联数据。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种油流图谱与表面压力融合仿真可视化方法解决了风洞试验在同一个模型不同的测量值,甚至在相同的流动条件下，也很难关联数据的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种油流图谱与表面压力融合仿真可视化方法，包括以下步骤：

S1、将油和二氧化钛粉末的混合物涂在风洞实验中4轮起落架的车轮上，通过数码相机获得多个角度的车轮流态照片；

S2、使用沿车轮周边从内测中心到外侧中心的测压点，测量表面压力；

S3、通过数字粒子图像测速来确定平分轮垂直平面上的平均速度；

S4、对起落架的几何形状进行网格化处理，网格上的点与测压点位置重合，将位于规则间隔位置的基准标记点放置在车轮周围的表面，测量基准标记点的坐标用于数码相机的校准；

S5、当车轮油流图案在风洞实验干后，通过数码相机捕捉到8张高分辨率图像，其中第一幅图像在风洞中拍摄，再将轮轴插入底座中，拆下车轮并水平定向，在车轮周围基准标记点的位置，捕捉六张图像，最后一张图像捕捉包含轴的车轮周边；

S6、对8张图像通过图像测量重建过程，使其从二维的视频图像中创建三维车轮流态照片、表面压力以及平均速度仿真融合以提高可视化程度。

进一步地：所述步骤S1中车轮流态照片的具体获取方法为：将油和二氧化钛粉末的混合物涂在一个前轮上，当空气流过车轮时，在混合物中形成剪切线，通过数码相机从多个角度，获得前轮的流态照片，将前轮清洗后安装在后轴上，重新利用混合物，在相同的流场条件下，混合物干燥后，通过数码相机采集后轮的流态照片。

进一步地：所述步骤S2中表面压力的具体测量方法为：2°一个阶梯逐步转动车轮，在每一步每个传感器采集30000个数据样本，对数据样本平均计算每个点的平均压力。

进一步地：所述步骤S3中平均速度的确定方法为：用激光片照明流动粒子，并用两张相隔几微秒的照片，记录流动粒子的瞬时位置，一百个图像对应于确定160个位置的平均速度，将这160个位置组成一个平面。

进一步地：所述步骤S4中网格化处理中的网格具体为：PLOT3D纹理网格的50×181，或9050点。

进一步地：所述高分辨率图像的像素为：3060×2036像素。

进一步地：所述步骤S6的具体步骤为：在二维视频图像测量中需要对摄像机进行校准，在八个摄像头上利用影像重构技术、多摄像机映射技术，当使用一个摄像头时通过向前投影方法将信息投影到三维表面进行重构，当使用多个摄像头时通过向后投影到三维表面进行重构。

进一步地：所述重构具体为：检查图像曲面形状的每个四边形，并根据曲面法线确定哪台摄像机具有最佳视图，该四边形的3D顶点被反向投影到所选相机，以确定相应二维图像的坐标，该区域相机图像的像素，将应用于该四边形的标准纹理映射，对几何体的每个面进行映射，直到整个对象纹理映射，将结果处理输出为独立的VRML1.0文件，得出三维可视化与高分辨率的纹理。

本发明的有益效果为：本发明通过应用适当的可视化技术，描述了数据从不同的风洞试验组合成一个三维场景的过程。其结果是一个准确的高分辨重建的复合流场，使研究人员可视化地一次将多个试验数据关联起来，可以深入了解流场。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为车轮外侧油流示意图；

图3为本发明中图像在车轮周围的相对位置；

图4为本发明中实施例中摄像机去除示意图；

图5为本发明实施例中摄像机选择示意图；

图6为本发明实施例中纹理映射示意图；

图7为本发明实施例中调色板1的示意图；

图8为本发明实施例中调色板2的示意图；

图9为本发明实施例中调色板3的示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种油流图谱与表面压力融合仿真可视化方法，包括以下步骤：

S1、将油和二氧化钛粉末的混合物涂在风洞实验中4轮起落架的车轮上，通过数码相机获得多个角度的车轮流态照片；

S2、使用沿车轮周边从内测中心到外侧中心的测压点，测量表面压力；

S3、通过数字粒子图像测速来确定平分轮垂直平面上的平均速度；

S4、对起落架的几何形状进行网格化处理，网格上的点与测压点位置重合，将位于规则间隔位置的基准标记点放置在车轮周围的表面，测量基准标记点的坐标用于数码相机的校准；

S5、当车轮油流图案在风洞实验干后，通过数码相机捕捉到8张高分辨率图像，其中第一幅图像在风洞中拍摄，再将轮轴插入底座中，拆下车轮并水平定向，在车轮周围基准标记点的位置，捕捉六张图像，最后一张图像捕捉包含轴的车轮周边；

S6、对8张图像通过图像测量重建过程，使其从二维的视频图像中创建三维车轮流态照片、表面压力以及平均速度仿真融合以提高可视化程度。

试验模型是一个普通的4轮起落架，如图2所示，将油（煤油）和二氧化钛粉末的混合物涂在一个轮子上，当空气流过车轮时，在混合物中形成剪切线，数码相机从多个角度，获得流态照片，这个车轮清洗后安装在后轴上，混合物被重新利用，相同的流场条件下，混合物干燥后，采集后轮类似的剪切线图片。

使用沿车轮周边从内侧中心（轴附近）到外侧中心的测压点，来测量表面压力。压力读数超过大部分车轮表面，2°一个阶梯逐步转动车轮，在每一步，每个传感器采集30000个数据样本，这些样本被平均在一起计算每个点的平均压力。

用数字粒子图像测速（DPIV）来确定平分内轮垂直平面上的平均速度，这个过程包括用激光片照明流动粒子，并用两张相隔几微秒的照片，记录他们的瞬时位置，一百个图像对应于确定160个位置的平均速度，这些位置组成一个平面。

可视化方法：对起落架模型的几何形状进行网格化处理。PLOT3D纹理网格的50×181，或9050点，网格上的点与测压点位置重合，因此表面压力可以很容易的可视化。基准标记点也是规则的间隔位置，放置在车轮周围的表面，它们的坐标需要测量，以方便数码相机的校准。

当油流图案在风洞试验后干了，数码相机用来捕捉到8张高分辨率图像（3060×2036像素）。第一副图像是模型还在风洞中拍摄的，然后通过将轮轴插入临时底座中，拆下车轮并水平定向，在车轮的周围，模型基准点的位置，捕获六张或多张图像。最后的图像从车轮周边包含轴。图3显示了7个图像的相对位置。

给定试验模型的八副油流图像，通过图像测量重建过程，使其从二维的视频图像中创建三维油流和压力分布仿真融合以提高可视化程度。在二维视频图像测量中需要对摄像机进行校准，如图4所示，这种方法是基于共线条件下，目标点、像点、相机镜头中心都位于一条直线上，其核心与关键是正确放置和准确测量基准点。摄像机校准和去除过程的结果是摄像机的X，Y，Z位置和Ω，Φ，K方位角。这个过程是在八个摄像头拍摄的每个镜头上进行的。由于相机的像素和几何形状已经给定，利用影像重构技术、多摄像机映射技术，当一个摄像头时通过向前投影方法将信息投影到三维表面进行重构，当多个摄像头时通过向后投影方法效果将更佳。建立算法，检查已知曲面形状的每个四边形（PLOT3D纹理网格），并根据曲面法线，如图5确定哪台摄像机具有最佳视图。接下来，该四边形的3D顶点被反向投影到所选相机，以确定相应二维图像的坐标，如图6所示。该区域相机图像的像素，将应用于该四边形的标准纹理映射。该方法过程是对几何体的每个面进行的，直到整个对象纹理映射。最后，将结果处理输出为独立的VRML1.0文件。其结果是一个三维可视化与非常高分辨率的纹理，围绕整个模型传达了复杂的油流状态。它可以在任何具有充足纹理映射平台上进行交互查看。

由于描述轮胎几何形状的PLOT3D网格顶点，与测压点位置相同，因此油流可视化上添加了压力信息。VRML 1.0对于每个点，同时支持纹理和颜色信息，所以我们只是从彩色图里添加适当的颜色，来表示每个顶点的压力。用颜色表示的标量压力与灰阶油流纹理相结合的结果在色板1中显示，如图7所示。注意油流特征与低（蓝色）和高（白色）压力区域的对应关系。这两个表面数据集组合成一个单一的三维可视化，使表面拓扑特征识别比手动比较大量二维试验图像和压力测量更容易而且更准确。

数字粒子图像测速过程，结果是一个二维笛卡尔矢量数据集。由于该平面式分段测量的，因此数据被分成160个单元，每个单元有60×60个数据点，其中4个点重叠相邻单元。高斯滤波器被施加到平滑单元之间的边缘，并结合数据得到一个笛卡尔1236×676数据集。零向量被放置在相应车轮内部的数据部分。线积分卷积技术被应用到可视化的方式，在视觉上类似于车轮上的油流。颜色用来衡量每个点速度的大小。这个过程产生了一个彩色图像，显示了空气流过平面的状态（彩色板2），如图8所示。一个很明显的涡流在车轮之间，鞍点和缓慢移动的空气出现在车轮后面。

前轮和后轮的表面油流和压力图像组合成一个VRML1.0文件。四个轮子都假定流动对称。二维LIC图像代表空间的速度场数据，之后被纹理映射到适当的车轮之间的三维平面。对较为有规律的流线也体现于处理结果中，突出显示某些流动特征。

最后一个场景（色板3），如图9所示，是在一个仿真式的环境中展示的，可以在一个仿真环境中导航，并从任何角度获得完全的三维视图。这种仿真环境对于显示结合紧密的位置的流动情况效果较好。在该环境下，能直接将空间流动特征（如涡流，驻点）与表面流动特征（如聚集区，分离区）结合起来，给使用者提供了临近试验模型空间流场预览效果，只要转动头部就可以观察到其中任何一部分，给用户提供动画LIC、多流条件和标量颜色控制等多种选择。

通过应用适当的可视化技术，描述了数据从不同的风洞试验组合成一个三维场景的过程。其结果是一个准确的高分辨重建的复合流场，使研究人员可视化地一次将多个试验数据关联起来。这种能力可以深入了解流场。

Claims (6)

1.一种油流图谱与表面压力融合仿真可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将油和二氧化钛粉末的混合物涂在风洞实验中4轮起落架的车轮上，通过数码相机获得多个角度的车轮流态照片；

S2、使用沿车轮周边从内侧中心到外侧中心的测压点，测量表面压力；

S3、通过数字粒子图像测速来确定车轮垂直平面上的平均速度；

S4、对4轮起落架的几何形状进行网格化处理，网格上的点与测压点位置重合，将位于规则间隔位置的基准标记点放置在车轮周围的表面，测量基准标记点的坐标用于数码相机的校准；

S5、当车轮油流图案在风洞实验干后，通过数码相机捕捉到8张高分辨率图像，其中第一幅图像在风洞中拍摄，再将轮轴插入底座中，拆下车轮并水平定向，在车轮周围基准标记点的位置，捕捉六张图像，最后一张图像捕捉包含轴的车轮周边；

S6、对8张图像通过图像测量重建过程，使其从二维的视频图像中创建三维车轮流态照片、表面压力以及平均速度仿真融合以提高可视化程度；

在二维视频图像测量中需要对数码相机进行校准，在八个数码相机上利用影像重构技术、多摄像机映射技术，当使用一个数码相机时通过向前投影方法将信息投影到三维表面进行重构，当使用多个数码相机时通过向后投影到三维表面进行重构；

所述重构具体为：检查图像曲面形状的每个四边形，并根据曲面法线确定哪台数码相机具有最佳视图，该四边形的3D顶点被反向投影到所选数码相机，以确定相应二维图像的坐标，该二维图像区域数码相机图像的像素，将应用于该四边形的标准纹理映射，对几何体的每个面进行映射，直到整个对象纹理映射，将结果处理输出为独立的VRML1.0文件，得出三维可视化与高分辨率的纹理。

2.根据权利要求1所述的油流图谱与表面压力融合仿真可视化方法，其特征在于，所述步骤S1中车轮流态照片的具体获取方法为：将油和二氧化钛粉末的混合物涂在一个前轮上，当空气流过车轮时，在混合物中形成剪切线，通过数码相机从多个角度，获得前轮的流态照片，将前轮清洗后安装在后轴上，重新利用混合物，在相同的流场条件下，混合物干燥后，通过数码相机采集后轮的流态照片。

3.根据权利要求1所述的油流图谱与表面压力融合仿真可视化方法，其特征在于，所述步骤S2中表面压力的具体测量方法为：2°一个阶梯逐步转动车轮，在每一步每个传感器采集30000个数据样本，对数据样本平均计算每个测压点的平均压力。

4.根据权利要求1所述的油流图谱与表面压力融合仿真可视化方法，其特征在于，所述步骤S3中平均速度的确定方法为：用激光片照明流动粒子，并用两张相隔几微秒的照片，记录流动粒子的瞬时位置，一百个图像对应于确定160个位置的平均速度，将这160个位置组成一个平面。

5.根据权利要求1所述的油流图谱与表面压力融合仿真可视化方法，其特征在于，所述步骤S4中网格化处理中的网格具体为：PLOT3D纹理网格的50×181，或9050点。

6.根据权利要求1所述的油流图谱与表面压力融合仿真可视化方法，其特征在于，所述高分辨率图像的像素为：3060×2036像素。

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