CN116929701B - 一种翼型表面流动迹线测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种翼型表面流动迹线测量方法及系统，其中方法包括：针对用于风洞实验的风洞模型，在所述风洞模型的待测壁面区域处设置迹线测量嵌板，所述迹线测量嵌板的下表面即靠近风洞模型侧设置有背景点阵，所述背景点阵发出的光线能够从迹线测量嵌板的上表面射出；所述迹线测量嵌板的上表面与风洞模型共形，且涂刷有一层透明粘性介质，所述透明粘性介质在流场作用下能够发生堆积和形变；通过图像采集设备记录背景点阵在风洞运行时的图像信息，并通过图像处理设备或上位机基于图像差异分析算法计算背景点阵的畸变情况得到光线偏折角，最后基于光线偏折角得到翼型表面流动迹线。本发明可获取精准的迹线实验数据。
Description
技术领域
本发明涉及空气动力学技术领域，尤其涉及一种翼型表面流动迹线测量方法及系统。
背景技术
壁面迹线反映空气在翼型模型表面的流动方向，也表征壁面摩擦力的方向，对空气动力学研究具有重要的价值，因此，壁面迹线是风洞实验中常见的测量对象。空气是一种透明的介质，其在模型表面的流动迹线不可察，对其准确测量具有一定的难度。
目前常用的方法通过模型壁面的示踪物体来获取迹线，例如油流法和丝线法。油流法需要将示踪固态粒子混合于甲基硅油、油酸、液体石蜡等具有特定粘性的透明液体中，再将混合液体涂刷在风洞实验模型表面。风洞实验过程中，混合液体会沿着壁面迹线的方向发生运动，从而导致示踪粒子的堆积情况发生变化，示踪粒子的堆积情况直接导致该处粒子浓度和粒子发出/反射的光强不一样，由此得到壁面迹线的分布情况。丝线法将柔性丝线的一端固定于风洞模型表面，在流场作用下，丝线另一端几乎沿着迹线的方向分布，由此也可以得到壁面迹线在丝线处的方向信息。
油流法利用算法分析示踪粒子的发光强度得到壁面迹线。对于一些粒子浓度过大（如再附边界、回流区等）的区域，大量堆积的粒子发出的光强过饱和，相机得到的图像表现出“过曝”的结果，此时很难用后期算法提取该区域的壁面迹线；对于粒子浓度过小的区域（如分离边界等），粒子浓度过低，相机得到的图像亮度很弱，也很难用后期算法提取该区域的壁面迹线。因此，掺混示踪粒子的油流法较难测量流动变化剧烈区域的壁面迹线。
丝线法的形态变化只能表征丝线所在位置迹线的切线方向，该方法属于离散点测量方法，无法实现连续迹线测量。由于丝线在流场的作用下会产生抖动，因此，丝线法测量的精度也很难保证。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种翼型表面流动迹线测量方法及系统，可获取精准的迹线实验数据。
本发明采用的技术方案如下：
一种翼型表面流动迹线测量方法，包括以下步骤：
S1. 针对用于风洞实验的风洞模型，在所述风洞模型的待测壁面区域处设置迹线测量嵌板，所述迹线测量嵌板的下表面即靠近风洞模型侧设置有背景点阵，所述背景点阵发出的光线能够从迹线测量嵌板的上表面射出；所述迹线测量嵌板的上表面与风洞模型共形，且涂刷有一层透明粘性介质，所述透明粘性介质在流场作用下能够发生堆积和形变；
S2. 通过图像采集设备记录背景点阵在风洞运行时的图像信息，并通过图像处理设备或上位机基于图像差异分析算法计算背景点阵的畸变情况得到光线偏折角，最后基于光线偏折角得到翼型表面流动迹线。
进一步地，所述图像差异分析算法包括光流法和互相关算法，所述互相关算法基于快速傅里叶变换计算具有设定边长的矩形查询区域内的综合位移，其中相邻矩形查询区域允许存在重叠部分。
进一步地，所述基于光线偏折角得到翼型表面流动迹线的方法包括：基于透明粘性介质薄膜形状变化的三维特性，将薄膜上表面的斜率α在X-Y平面投影为矢量，矢量/>在X和Y方向的分量分别为v x和v y；由于薄膜的堆积方向和摩擦力一致，因此矢量/>即为摩擦力在此处的方向，从而得到翼型表面流动迹线。
进一步地，所述透明粘性介质包括甲基硅油、水、油酸或液体石蜡，所述透明粘性介质的粘度和涂刷厚度根据试验对象确定。
进一步地，所述背景点阵包括随机点阵或噪点图像，所述背景点阵的颜色、大小和密度根据试验对象确定。
一种翼型表面流动迹线测量系统，包括：
风洞模型，安装于风洞实验段内部，作为风洞实验的对象；
迹线测量嵌板，设置于风洞模型的待测壁面区域处，且上表面即远离风洞模型侧与风洞模型共形；
背景点阵，粘贴于所述迹线测量嵌板的下表面，所述背景点阵发出的光线能够从迹线测量嵌板的上表面射出；
透明粘性介质，涂刷于所述迹线测量嵌板的上表面，且在流场作用下能够发生堆积和形变；
图像采集设备，用于记录背景点阵在风洞运行时的图像信息；
图像处理设备或上位机，用于基于图像差异分析算法计算背景点阵的畸变情况得到光线偏折角，并基于光线偏折角得到翼型表面流动迹线。
进一步地，所述图像差异分析算法包括光流法和互相关算法，所述互相关算法基于快速傅里叶变换计算具有设定边长的矩形查询区域内的综合位移，其中相邻矩形查询区域允许存在重叠部分。
进一步地，所述基于光线偏折角得到翼型表面流动迹线的方法包括：基于透明粘性介质薄膜形状变化的三维特性，将薄膜上表面的斜率α在X-Y平面投影为矢量，矢量/>在X和Y方向的分量分别为v x和v y；由于薄膜的堆积方向和摩擦力一致，因此矢量/>即为摩擦力在此处的方向，从而得到翼型表面流动迹线。
进一步地，所述透明粘性介质包括甲基硅油、水、油酸或液体石蜡，所述透明粘性介质的粘度和涂刷厚度根据试验对象确定。
进一步地，所述背景点阵包括随机点阵或噪点图像，所述背景点阵的颜色、大小和密度根据试验对象确定。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明基于光线偏折信息，不受光强分布的影响，具有抗光强干扰能力强的优点。
（2）本发明通过光流或互相关算法获取光线偏折信息，具有计算便捷性好、测量精度高的优点。
（3）本发明采用透明粘性介质涂刷于翼型表面，粘性介质不需掺入任何固态示踪粒子或者液态染色剂。
（4）经风洞实验验证，获得了模型表面迹线分布，本发明的测量系统工作正常，测量方法可行。
附图说明
图1是本发明实施例的翼型表面流动迹线测量系统结构简图。
图2是迹线测量嵌板示意图。
图3是粘性液体薄膜变形示意图。
图4是光线传输示意图。
图5是光线偏折与流动迹线的关系图。
附图标记：1-风洞模型，2-迹线测量嵌板，3-背景点阵，4-透明粘性介质，5-图像采集设，F-风洞来流；t 1为风洞来流前的时刻，t 2为风洞来流后的时刻，τ为壁面摩擦力，n 1为空气的折射率，n 2为介质的折射率，α为粘性介质薄膜上表面产生的斜率，也是光线入射角，为光线折射角，ε为光线偏折角。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种翼型表面流动迹线测量系统，包括包括翼型模型、透明嵌块、背景点阵、透明粘性介质、图像采集设备和图像处理设备/上位机。
相应地，本实施例还提供了一种翼型表面流动迹线测量方法，包括以下步骤：
S1. 针对用于风洞实验的风洞模型，在风洞模型的待测壁面区域处设置迹线测量嵌板，如图2所示，迹线测量嵌板的下表面即靠近风洞模型侧设置有背景点阵，背景点阵发出的光线能够从迹线测量嵌板的上表面射出；迹线测量嵌板的上表面与风洞模型共形，且涂刷有一层透明粘性介质，透明粘性介质在流场作用下能够发生堆积和形变；
S2. 通过图像采集设备记录背景点阵在风洞运行时的图像信息，并通过图像处理设备或上位机基于图像差异分析算法计算背景点阵的畸变情况得到光线偏折角，最后基于光线偏折角得到翼型表面流动迹线。
由于风洞来流具有一定的速度，流经模型表面时会产生摩擦力，摩擦力的大小同时由来流速度的壁法向梯度和空气粘性系数决定：
其中，τ为壁面摩擦力，μ是当地空气的粘性系数，u是空气的流动速度，y为壁面法向距离，为导数符号。在摩擦力的作用下，迹线测量嵌板表面的粘性介质薄膜会发生位移和形变，如图3所示，粘性介质在摩擦力作用下发生局部变形。从背景图案发出的光线在进入相机的过程中会受到粘性介质薄膜的干扰，导致光线传播方向发生改变，最终导致相机观察到的背景图案成像结果出现光学畸变。
如图4所示为光线传输示意图。粘性介质薄膜受到摩擦力的作用发生堆积，堆积现象导致粘性介质薄膜上表面产生斜率，记为α，由于透明粘性介质的折射率n 2和空气的折射率n 1不同，光线通过透明粘性介质时，其传播方向发生偏折，记为光线偏折角ε。可通过图像差异分析算法得到背景图案的畸变情况，从而得到偏折角ε。根据菲涅尔定律，有：
其中，，/>为光线折射角。
图5所示为光线偏折与迹线的关系图。粘性介质薄膜的形状变化具有三维特性，记斜率α在X-Y平面的投影为矢量，矢量/>在X和Y方向的分量分别为v x和v y。由于粘性介质薄膜的堆积方向和摩擦力一致，因此，矢量/>即为摩擦力在该处的方向。由此，得到模型表面迹线。
优选地，图像差异分析算法可以是光流法或互相关算法，其中互相关算法基于快速傅里叶变换计算具有设定边长的矩形查询区域内的综合位移，其中相邻矩形查询区域允许存在重叠部分。
优选地，透明粘性介质可以是甲基硅油、水、油酸或液体石蜡，透明粘性介质的粘度和涂刷厚度根据试验对象确定。
优选地，背景点阵可以是随机点阵或噪点图像，背景点阵的颜色、大小和密度根据试验对象确定。
优选地，图像采集设备可以是相机。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种翼型表面流动迹线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 针对用于风洞实验的风洞模型，在所述风洞模型的待测壁面区域处设置迹线测量嵌板，所述迹线测量嵌板的下表面即靠近风洞模型侧设置有背景点阵，所述背景点阵发出的光线能够从迹线测量嵌板的上表面射出；所述迹线测量嵌板的上表面与风洞模型共形，且涂刷有一层透明粘性介质，所述透明粘性介质在流场作用下能够发生堆积和形变；
S2. 通过图像采集设备记录背景点阵在风洞运行时的图像信息，并通过图像处理设备或上位机基于图像差异分析算法计算背景点阵的畸变情况得到光线偏折角，最后基于光线偏折角得到翼型表面流动迹线；
所述基于光线偏折角得到翼型表面流动迹线的方法包括：
粘性介质薄膜受到摩擦力的作用发生堆积，堆积现象导致粘性介质薄膜上表面产生斜率，记为α，由于透明粘性介质的折射率n 2和空气的折射率n 1不同，光线通过透明粘性介质时，其传播方向发生偏折，记为光线偏折角ε；可通过图像差异分析算法得到背景图案的畸变情况，从而得到偏折角ε；根据菲涅尔定律，有：
其中，，/>为光线折射角；
基于透明粘性介质薄膜形状变化的三维特性，将薄膜上表面的斜率α在X-Y平面投影为矢量，矢量/>在X和Y方向的分量分别为v x和v y；由于薄膜的堆积方向和摩擦力一致，因此矢量/>即为摩擦力在此处的方向，从而得到翼型表面流动迹线。
2.根据权利要求1所述的一种翼型表面流动迹线测量方法，其特征在于，所述图像差异分析算法包括光流法和互相关算法，所述互相关算法基于快速傅里叶变换计算具有设定边长的矩形查询区域内的综合位移，其中相邻矩形查询区域允许存在重叠部分。
3.根据权利要求1所述的一种翼型表面流动迹线测量方法，其特征在于，所述透明粘性介质包括甲基硅油、水、油酸或液体石蜡，所述透明粘性介质的粘度和涂刷厚度根据试验对象确定。
4.根据权利要求1所述的一种翼型表面流动迹线测量方法，其特征在于，所述背景点阵包括随机点阵或噪点图像，所述背景点阵的颜色、大小和密度根据试验对象确定。
5.一种翼型表面流动迹线测量系统，其特征在于，包括：
风洞模型，安装于风洞实验段内部，作为风洞实验的对象；
迹线测量嵌板，设置于风洞模型的待测壁面区域处，且上表面即远离风洞模型侧与风洞模型共形；
背景点阵，粘贴于所述迹线测量嵌板的下表面，所述背景点阵发出的光线能够从迹线测量嵌板的上表面射出；
透明粘性介质，涂刷于所述迹线测量嵌板的上表面，且在流场作用下能够发生堆积和形变；
图像采集设备，用于记录背景点阵在风洞运行时的图像信息；
图像处理设备或上位机，用于基于图像差异分析算法计算背景点阵的畸变情况得到光线偏折角，并基于光线偏折角得到翼型表面流动迹线；
所述基于光线偏折角得到翼型表面流动迹线的方法包括：
粘性介质薄膜受到摩擦力的作用发生堆积，堆积现象导致粘性介质薄膜上表面产生斜率，记为α，由于透明粘性介质的折射率n 2和空气的折射率n 1不同，光线通过透明粘性介质时，其传播方向发生偏折，记为光线偏折角ε；可通过图像差异分析算法得到背景图案的畸变情况，从而得到偏折角ε；根据菲涅尔定律，有：
其中，，/>为光线折射角；
基于透明粘性介质薄膜形状变化的三维特性，将薄膜上表面的斜率α在X-Y平面投影为矢量，矢量/>在X和Y方向的分量分别为v x和v y；由于薄膜的堆积方向和摩擦力一致，因此矢量/>即为摩擦力在此处的方向，从而得到翼型表面流动迹线。
6.根据权利要求5所述的一种翼型表面流动迹线测量系统，其特征在于，所述图像差异分析算法包括光流法和互相关算法，所述互相关算法基于快速傅里叶变换计算具有设定边长的矩形查询区域内的综合位移，其中相邻矩形查询区域允许存在重叠部分。
7.根据权利要求5所述的一种翼型表面流动迹线测量系统，其特征在于，所述透明粘性介质包括甲基硅油、水、油酸或液体石蜡，所述透明粘性介质的粘度和涂刷厚度根据试验对象确定。
8.根据权利要求5所述的一种翼型表面流动迹线测量系统，其特征在于，所述背景点阵包括随机点阵或噪点图像，所述背景点阵的颜色、大小和密度根据试验对象确定。
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