CN114894428A - 基于荧光微丝偏转角度的流体流动测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风洞流动测量试验技术领域，公开了基于荧光微丝偏转角度的流体流动测量方法，包括：将荧光微丝垂直于风洞风向、平行于风洞风向粘贴在待测模型表面，形成第一试验模型和第二试验模型，并进行风洞试验；采用成像设备拍摄获得荧光微丝的飘动状态，飘动状态包括第一试验模型中荧光微丝的第一偏转角度和第二试验模型中荧光微丝的第二偏转角度；基于第一偏转角度获取荧光微丝的流场速度；基于流场速度和第二偏转角度获取荧光微丝平行于风洞风向的第一速度和垂直于风洞风向的第二速度；基于流场速度和第一速度、第二速度获得待测模型表面流场结构。本发明解决了现有风洞试验采用的荧光微丝法不能对待测模型表面流动进行量化的问题。

Description

基于荧光微丝偏转角度的流体流动测量方法

技术领域

本发明涉及风洞流动测量试验技术领域，具体是指一种基于荧光微丝偏转角度的流体流动测量方法。

背景技术

风洞试验时模型会显著影响其表面附近的流场，由于肉眼无法观察到空气的流动，研究人员常用流动显示方法来显示流场情况，表面流动显示方法主要包括丝线、油流以及压敏漆(PSP)等方法。其中，丝线法可根据丝线的几何特征清晰显示气流在表面的流动方向以及判别流动是否分离，因其操作简单、成本低廉、响应快等特点，而且能一次粘附多次使用，成为了众多研究者们首选的方法。常规的丝线法所采用的丝线直径比较大，一般在1mm左右，这样的丝线粘贴在待测模型表面，可能会高于附面层的高度从而影响流场结构，无法真实的反应流场情况。后来为了解决这个问题，发展出了荧光微丝法。

荧光微丝法采用的丝线直径很小，直径在0.01mm-0.05mm之间，对流场的干扰很小，具有荧光材料的丝线在紫外光源的激励下发出荧光，其直径会“增长”数倍，便于观察和相机记录。

但是现有的荧光微丝法只能显示流动的大致方向或者用来判断是否分离，对于试验研究只是起到辅助作用，无法达到量化流动的目的。

发明内容

基于以上技术问题，本发明提供了一种基于荧光微丝偏转角度的流体流动测量方法，解决了现有风洞试验采用的荧光微丝法不能对待测模型表面流动进行量化的问题。

为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种基于荧光微丝偏转角度的流体流动测量方法，包括：

将荧光微丝垂直于风洞风向粘贴在待测模型表面，形成第一试验模型；

将荧光微丝平行于风洞风向粘贴在待测模型表面，形成第二试验模型；

在相同试验条件下，将第一试验模型、第二试验模型分别置于风洞中，并在紫外激励光源照射下进行风洞试验；

采用成像设备进行拍摄，基于拍摄结果获得荧光微丝的飘动状态，飘动状态包括第一试验模型中荧光微丝的第一偏转角度和第二试验模型中荧光微丝的第二偏转角度；

将第一偏转角度代入角度-速度函数式中，获取荧光微丝粘贴端点处的流场速度；

将流场速度和第二偏转角度代入三角函数中，获取荧光微丝粘贴端点处平行于风洞风向的第一速度和垂直于风洞风向的第二速度；

将流场速度和第一速度、第二速度标注在待测模型相应位置，获得待测模型表面流场结构。

进一步的，获取角度-速度函数式包括：

将荧光微丝粘贴在细棒上，荧光微丝与细棒轴线垂直；

将细棒垂直安置在风洞中，调整荧光微丝垂直于风洞风向，并在紫外激励光源照射下进行风洞试验；

逐步调节风洞风速，采用成像设备进行拍摄，基于拍摄结果获得荧光微丝的第三偏转角度；

将风洞风速与第三偏转角度进行拟合，得到角度-速度函数式。

进一步的，逐步调节风洞风速中的风速调节步长为2m/s。

进一步的，调整成像设备位置，使成像设备位于细棒正上方。

进一步的，当荧光微丝平行于风洞风向与模型粘贴时，荧光微丝粘贴端点靠近风洞出风口。

进一步的，成像设备与紫外激励光源呈锐角布置。

进一步的，荧光微丝的粘贴间隔为2-3倍丝线长度。

进一步的，荧光微丝的吸收波峰与紫外激励光源的激发波长的波峰相匹配。

进一步的，荧光微丝的长度为10-20毫米、直径小于0.05毫米。

进一步的，荧光微丝的材质为棉线或尼龙线。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明与现有风洞试验相比，不仅能够获得试验模型的流场结果，还能够获取流场的流动速度信息，并基于流动速度信息对流场进行数字化重构，从而实现量化流场的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为基于荧光微丝偏转角度的流体流动测量方法的流程示意图。

图2为获取角度-速度函数式的流程示意图。

图3为荧光微丝与风洞风向垂直时两者方位示意图。

图4为荧光微丝与风洞风向平行时两者方位示意图。

图5为荧光微丝与细棒粘贴结构示意图。

图6为荧光微丝在细棒上的第三偏转角度的示意图。

图7为待测模型表面流场结构的示意图。

其中，1待测模型，2荧光微丝，3细棒。

其中，图3、图4、图6中箭头表示风洞中风向。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

除非另外定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

参阅图1，在一些实施例中，基于荧光微丝偏转角度的流体流动测量方法，包括：

S101，将荧光微丝2垂直于风洞风向粘贴在待测模型1表面，形成第一试验模型；

其中，由于荧光微丝2单独粘贴优选的，为了保证荧光微丝2粘贴的一致性，故采用整体粘贴荧光微丝2后使用激光切割机一次切割保证一致性，采用此方法可保证荧光微丝2粘贴时的初始方向一致性且便于更换和安装。

具体的，参阅图3，荧光微丝2与风洞风向垂直时两者方位示意图。

具体的，荧光微丝2的粘贴间隔为2-3倍丝线长度。

具体的，荧光微丝2的长度为10-20毫米、直径小于0.05毫米。

其中，荧光微丝2直径小于附面层厚度，对流场的影响能够降到最小，可真实反应各工况下待测模型1表面的流场情况，提高了流动测量的精度。

具体的，荧光微丝2的材质为棉线或尼龙线。

优选的，采用超薄胶带对荧光微丝2进行粘贴，超薄胶带的厚度为10微米。

其中，粘贴胶带厚度薄，对流场结构的干扰小。

S102，将荧光微丝2平行于风洞风向粘贴在待测模型1表面，形成第二试验模型；

具体的，参阅图4，荧光微丝2与风洞风向平行时两者方位示意图。

优选的，当荧光微丝2平行于风洞风向与模型粘贴时，荧光微丝2粘贴端点靠近风洞出风口。

S103，在相同试验条件下，将第一试验模型、第二试验模型分别置于风洞中，并在紫外激励光源照射下进行风洞试验；

优选的，成像设备与紫外激励光源呈锐角布置。

其中，成像设备与紫外激励光源呈锐角布置，避免紫外激励光源影响成像设备采集图像。

具体的，成像设备为相机或摄像机。

优选的，荧光微丝2的吸收波峰与紫外激励光源的激发波长的波峰相匹配。

其中，荧光微丝2的吸收波峰与紫外激励光源的激发波长的波峰相匹配，以产生最好的发光效果。

S104，采用成像设备进行拍摄，基于拍摄结果获得荧光微丝2的飘动状态，飘动状态包括第一试验模型中荧光微丝2的第一偏转角度和第二试验模型中荧光微丝2的第二偏转角度；

S105，将第一偏转角度代入角度-速度函数式中，获取荧光微丝2粘贴端点处的流场速度；

S106，将流场速度和第二偏转角度代入三角函数中，获取荧光微丝2粘贴端点处平行于风洞风向的第一速度和垂直于风洞风向的第二速度；

其中，得到流场速度大小后，需要确定速度的方向，通过识别荧光微丝2沿流向粘贴时的第二偏转角度得到气流的偏角，用速度大小通过三角函数得到流向的第一速度V_x和垂直于流向的第二速度V_y。

S107，将流场速度和第一速度、第二速度标注在待测模型1相应位置，获得待测模型1表面流场结构。

具体的，待测模型1表面流场结构包括流速场、流线场等。

优选的，由于荧光微丝2位置的速度信息较少，可以再进行线性插值得到丰富的流场信息后，进而对流场进行重构。

本实施例中，目前理论和数值模拟方法还不能对飞行器表面流动结构进行完全正确的预测与描述，而表面流动结构对于飞行器的气动性能和操控特性有着重要影响，而且在开发新的气动外形往往会通过表面流动结构来进行研究与验证。通过本实施例的基于荧光微丝2偏转角度的流体流动测量方法，得到每个位置的速度大小以及速度方向后，就可以得到待测模型1表面流动结构。

参阅图2，在一些实施例中，获取角度-速度函数式包括：

S201，将一荧光微丝2粘贴在一细棒3上，荧光微丝2与细棒3轴线垂直；

S202，将细棒3垂直安置在风洞中，调整荧光微丝2垂直于风洞风向，并在紫外激励光源照射下进行风洞试验；

S203，逐步调节风洞风速，采用成像设备进行拍摄，基于拍摄结果获得荧光微丝2的第三偏转角度；

优选的，逐步调节风洞风速中的风速调节步长为2m/s。

优选的，调整成像设备位置，使成像设备位于细棒3正上方。

S204，将风洞风速与第三偏转角度进行拟合，得到角度-速度函数式。

本实施例中，将荧光微丝2粘贴在一根细棒3上，并竖直安置在风洞内部，如图5所示，此时相机的位置位于细棒3的正上方。调节风洞风速，从静止开始，以2m/s的步长增加风速，每调节一次，等风速稳定后，用成像设备采集图像，采集到的图像如图6所示。

实验结束后，识别每一个风速时，荧光微丝2的第三偏转角度θ，将所有识别到的第三偏转角度θ与其对应的速度v组成的数据点(v,θ)进行拟合，得到速度与荧光微丝2的第三偏转角度的函数关系，这样通过识别待测模型1表面垂直粘贴丝线的第三偏转角度，就可以得到荧光微丝2位置所在处的速度大小。

如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明的验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.基于荧光微丝偏转角度的流体流动测量方法，其特征在于，包括：

将荧光微丝垂直于风洞风向粘贴在待测模型表面，形成第一试验模型；

将荧光微丝平行于风洞风向粘贴在待测模型表面，形成第二试验模型；

在相同试验条件下，将所述第一试验模型、所述第二试验模型分别置于风洞中，并在紫外激励光源照射下进行风洞试验；

采用成像设备进行拍摄，基于拍摄结果获得荧光微丝的飘动状态，所述飘动状态包括所述第一试验模型中荧光微丝的第一偏转角度和所述第二试验模型中荧光微丝的第二偏转角度；

将所述第一偏转角度代入角度-速度函数式中，获取荧光微丝粘贴端点处的流场速度；

将所述流场速度和所述第二偏转角度代入三角函数中，获取荧光微丝粘贴端点处平行于风洞风向的第一速度和垂直于风洞风向的第二速度；

将所述流场速度和所述第一速度、所述第二速度标注在待测模型相应位置，获得待测模型表面流场结构。

2.根据权利要求1所述的基于荧光微丝偏转角度的流体流动测量方法，其特征在于，获取所述角度-速度函数式包括：

将荧光微丝粘贴在细棒上，所述荧光微丝与所述细棒轴线垂直；

将所述细棒垂直安置在风洞中，调整所述荧光微丝垂直于风洞风向，并在紫外激励光源照射下进行风洞试验；

逐步调节风洞风速，采用成像设备进行拍摄，基于拍摄结果获得所述荧光微丝的第三偏转角度；

将所述风洞风速与所述第三偏转角度进行拟合，得到所述角度-速度函数式。

3.根据权利要求2所述的基于荧光微丝偏转角度的流体流动测量方法，其特征在于：

所述逐步调节风洞风速中的风速调节步长为2m/s。

4.根据权利要求2所述的基于荧光微丝偏转角度的流体流动测量方法，其特征在于：

调整所述成像设备位置，使所述成像设备位于所述细棒正上方。

5.根据权利要求1所述的基于荧光微丝偏转角度的流体流动测量方法，其特征在于：当荧光微丝平行于风洞风向与模型粘贴时，荧光微丝粘贴端点靠近风洞出风口。

6.根据权利要求1所述的基于荧光微丝偏转角度的流体流动测量方法，其特征在于：所述成像设备与所述紫外激励光源呈锐角布置。

7.根据权利要求1所述的基于荧光微丝偏转角度的流体流动测量方法，其特征在于：所述荧光微丝的粘贴间隔为2-3倍丝线长度。

8.根据权利要求1所述的基于荧光微丝偏转角度的流体流动测量方法，其特征在于：所述荧光微丝的吸收波峰与所述紫外激励光源的激发波长的波峰相匹配。

9.根据权利要求1所述的基于荧光微丝偏转角度的流体流动测量方法，其特征在于：所述荧光微丝的长度为10-20毫米、直径小于0.05毫米。

10.根据权利要求1所述的基于荧光微丝偏转角度的流体流动测量方法，其特征在于：所述荧光微丝的材质为棉线或尼龙线。

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