CN116952525B - 一种用于风洞实验的翼型壁面摩阻非接触测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于风洞实验的翼型壁面摩阻非接触测量方法及系统，其中方法包括：针对用于风洞实验的翼型模型，在所述翼型模型的待测壁面区域处设置透明嵌块，所述透明嵌块的下表面即靠近翼型模型侧粘贴有背景点阵，所述背景点阵发出的光线能够从透明嵌块的上表面射出；所述透明嵌块的上表面与翼型模型共形，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实验中畸变前后的图像，并通过图像处理设备或上位机计算背景点阵的位移情况，确定翼型模型的待测壁面区域内的摩擦阻力大小。本发明可实现鲁棒性更好的摩阻测量。
Description
技术领域
本发明涉及空气动力学技术领域，尤其涉及一种用于风洞实验的翼型壁面摩阻非接触测量方法及系统。
背景技术
壁面摩阻（摩擦阻力）在解释近壁面流动中起着重要的作用，是风洞实验研究的重点对象之一。壁面摩阻的测量方法主要有以下几类：
1）皮托管法和热线法。通过测量壁面附近的平均速度曲线获得单点的摩阻。
2）表面热膜和壁挂式热线探针。基于传热速率和壁面剪切应力之间的关系，从测得的传热速率中间接得到摩阻。
3）PIV（粒子图像测速）法。通过PIV得到近壁面速度梯度，结合摩阻公式推到当地摩阻。
4）油膜干涉法。摩阻和油膜厚度存在相互关系，通过干涉条纹法获取油膜的高度变化信息从而得到摩阻。
5）摩阻天平。摩阻天平通过嵌入的形式安装在模型内部，天平浮动单元上表面与模型壁面平齐，天平的浮动单元受到摩阻而发生位移和形变，形变量通过应变片输出给计算机，通过形变量即可推导得出当地摩阻。
6）剪切敏感液晶。剪切敏感液晶会沿摩阻的方向发出一定强度的光线，发光强度与摩阻的大小相关。
但是上述壁面摩阻测量方法存在如下缺点：
皮托管法、热线法、表面热膜和壁挂式热线探针的测量方法不确定度很高，实施难度较大，目前已经很少用于摩阻的测量。
PIV方法只能获取二维平面内的摩阻，受限于壁面反光和边界层内粒子分布不均匀，其实施难度也很大，对于模型的特殊几何外形，例如狭窄凹腔，PIV方法几乎无法获取当地摩阻。
油膜干涉法的前提是相机必须能够分辨出油膜上表面和壁面反射光线相互干涉后产生的明暗条纹，这导致油膜干涉法要求油膜的表面斜率存在一上限（约为1.5μrad），当风洞模型壁面存在复杂流动（例如流动分离和再附等）导致油膜的斜率超过1.5μrad后，油膜干涉法便无法测量壁面摩阻。摩阻天平利用应变片将摩阻转化为电信号，具有灵敏度高的优点，但是现有摩阻天平的体积较大（最大安装直径通常为30mm），其测量结果的空间分辨率能力很低，且大部分摩阻天平只能适用于曲率不大的模型。
摩阻天平主要适用于攻角较小的实验状态，这是因为攻角过大产生的重力会导致摩阻天平超量程。
此外，剪切敏感液晶技术要求沿着测试区域周向布置多台观测相机并进行标定，这给测量工作带来不必要的繁琐流程，也给测量结果引入更多的误差和不确定性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种用于风洞实验的翼型壁面摩阻非接触测量方法及系统，可实现鲁棒性更好的摩阻测量。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于风洞实验的翼型壁面摩阻非接触测量方法，包括以下步骤：
S1. 针对用于风洞实验的翼型模型，在所述翼型模型的待测壁面区域处设置透明嵌块，所述透明嵌块的下表面即靠近翼型模型侧粘贴有背景点阵，所述背景点阵发出的光线能够从透明嵌块的上表面射出；所述透明嵌块的上表面与翼型模型共形，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实验中畸变前后的图像，并通过图像处理设备或上位机计算背景点阵的位移情况，确定翼型模型的待测壁面区域内的摩擦阻力大小。
进一步地，所述计算背景点阵的位移情况的方法包括互相关算法，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，所述确定翼型模型的待测壁面区域内的摩擦阻力大小的方法包括：基于背景点阵的位移情况，参照透明粘性介质在流场作用下堆积和形变产生的波峰移动速率与摩擦阻力的标定结果来确定摩擦阻力大小。
进一步地，所述透明粘性介质包括甲基硅油，所述甲基硅油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，所述随机点阵的颜色、大小和密度根据试验对象确定。
一种用于风洞实验的翼型壁面摩阻非接触测量系统，包括：
翼型模型，安装于风洞实验段内部，作为风洞实验的对象；
透明嵌块，设置于翼型模型的待测壁面区域处，且上表面即远离翼型模型侧与翼型模型共形；
背景点阵，粘贴于所述透明嵌块的下表面，所述背景点阵发出的光线能够从透明嵌块的上表面射出；
透明粘性介质，涂刷于所述透明嵌块的上表面，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实验中畸变前后的图像；
图像处理设备或上位机，用于计算背景点阵的位移情况，确定翼型模型的待测壁面区域内的摩擦阻力大小。
进一步地，所述计算背景点阵的位移情况的方法包括互相关算法，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，所述确定翼型模型的待测壁面区域内的摩擦阻力大小的方法包括：基于背景点阵的位移情况，参照透明粘性介质在流场作用下堆积和形变产生的波峰移动速率与摩擦阻力的标定结果来确定摩擦阻力大小。
进一步地，所述透明粘性介质包括甲基硅油，所述甲基硅油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，所述随机点阵的颜色、大小和密度根据试验对象确定。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明比油膜干涉法的测量范围更广，可测量流动复杂的区域，例如分离区、再附区和漩涡区等。
（2）本发明测量分辨能力比摩阻天平法更高，其可在中等攻角存在的情况下测量摩阻。
（3）本发明的结构比剪切敏感液晶法更简单，操作更容易，对试验环境条件要求更低。
（4）本发明可测量二维摩阻，同时获得摩阻的大小和方向，比PIV、热线等方法得到的信息更丰富。
（5）风洞试验结果表明，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壁面摩阻非接触测量系统结构简图。
图2是油膜堆积随时间变化情况。
图3是油膜堆积与光线传输的关系。
图4是背景点阵位移结果。
附图标记：1-翼型模型，2-透明嵌块，3-背景点阵，4-透明粘性介质，5-图像采集设备；τ为摩阻即摩擦阻力，a为摩阻与风洞来流的夹角，x 1~x n为波峰移动的位置，t 0~t n为时刻，α为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，l为背景点阵的位移量，h为透明嵌块的厚度。
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。
如图1所示，本实施例提供了一种用于风洞实验的翼型壁面摩阻非接触测量系统，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用于风洞实验的翼型壁面摩阻非接触测量方法，包括以下步骤：
S1. 针对用于风洞实验的翼型模型，在翼型模型的待测壁面区域处设置透明嵌块，透明嵌块的下表面即靠近翼型模型侧粘贴有背景点阵，背景点阵发出的光线能够从透明嵌块的上表面射出；透明嵌块的上表面与翼型模型共形，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实验中畸变前后的图像，并通过图像处理设备或上位机计算背景点阵的位移情况，确定翼型模型的待测壁面区域内的摩擦阻力大小。
由于透明嵌块表面的透明粘性介质薄膜在摩阻作用下会沿着摩阻的方向发生堆积，薄膜堆积导致薄膜型面出现先上升后下降的趋势，这其中存在一“波峰”。“波峰”在摩阻的作用下会持续向下游移动，如图2所示，波峰移动的位置用x i表示，下标i代表时刻；摩阻τ可表示为薄膜波峰移动速率的函数：，此函数为经验函数，通过与标准摩阻数据对比拟合得到。而摩阻的方向则垂直于“波峰”所在直线，摩阻与风洞来流的夹角为a（如图2所示）。由于透明嵌块的直径较小，可以认为透明嵌块对应区域内的摩阻具有较好的一致性。
薄膜在摩阻τ作用下发生堆积，“波峰”两侧的薄膜上表面呈楔形状态，由于薄膜的折射率比空气的折射率大，从背景点阵发出的光线会发生偏折，光线偏折的角度用ε表示，如图3所示（此处只给出图2中“波峰”左侧的局部薄膜变化情况）。由于光线传输可逆，图像采集设备观察到“波峰”左侧的背景点阵向左移动，同理，“波峰”右侧的背景点阵向右移动，而“波峰”处的光线不发生偏转，图像采集设备观察到的背景点阵图像不发生位移。薄膜相对于透明嵌块的厚度可忽略不计，光线偏折角度可用三角函数表示ε=actan(l/h)，l为背景点阵的位移量，h为透明嵌块的厚度。
由于薄膜的厚度较薄，“波峰”及其附近斜面的尺度相对较小，当这些特征结构的尺度小于一pixel（像素）时，图像采集设备无法分辨出背景点阵的位移信息。
因此，本发明利用互相关算法计算背景点阵的位移情况。优选地，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，由此可以得到如图4所示的背景点阵的位移信息。
如图4所示为风洞试验测得的背景点阵的位移信息，薄膜堆积形成长箭头所示的“波峰”，摩阻方向垂直于波峰的拟合直线，短箭头表明光线沿“波峰”外侧偏折，与理论结果符合较好。优选地，基于背景点阵的位移情况，参照透明粘性介质在流场作用下堆积和形变产生的波峰移动速率与摩擦阻力的标定结果，即可得到摩擦阻力大小。
优选地，透明粘性介质可以是甲基硅油，甲基硅油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，随机点阵的颜色、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)
1.一种用于风洞实验的翼型壁面摩阻非接触测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 针对用于风洞实验的翼型模型，在所述翼型模型的待测壁面区域处设置透明嵌块，所述透明嵌块的下表面即靠近翼型模型侧粘贴有背景点阵，所述背景点阵发出的光线能够从透明嵌块的上表面射出；所述透明嵌块的上表面与翼型模型共形，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实验中畸变前后的图像，并通过图像处理设备或上位机计算背景点阵的位移情况，确定翼型模型的待测壁面区域内的摩擦阻力大小；所述确定翼型模型的待测壁面区域内的摩擦阻力大小的方法包括：基于背景点阵的位移情况，参照透明粘性介质在流场作用下堆积和形变产生的波峰移动速率与摩擦阻力的标定结果来确定摩擦阻力大小。
2.根据权利要求1所述的一种用于风洞实验的翼型壁面摩阻非接触测量方法，其特征在于，所述计算背景点阵的位移情况的方法包括互相关算法，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所述的一种用于风洞实验的翼型壁面摩阻非接触测量方法，其特征在于，所述透明粘性介质包括甲基硅油，所述甲基硅油的粘度和涂刷厚度根据试验对象确定。
4.根据权利要求1所述的一种用于风洞实验的翼型壁面摩阻非接触测量方法，其特征在于，所述背景点阵包括随机点阵，所述随机点阵的颜色、大小和密度根据试验对象确定。
5.一种用于风洞实验的翼型壁面摩阻非接触测量系统，其特征在于，包括：
翼型模型，安装于风洞实验段内部，作为风洞实验的对象；
透明嵌块，设置于翼型模型的待测壁面区域处，且上表面即远离翼型模型侧与翼型模型共形；
背景点阵，粘贴于所述透明嵌块的下表面，所述背景点阵发出的光线能够从透明嵌块的上表面射出；
透明粘性介质，涂刷于所述透明嵌块的上表面，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实验中畸变前后的图像；
图像处理设备或上位机，用于计算背景点阵的位移情况，确定翼型模型的待测壁面区域内的摩擦阻力大小；所述确定翼型模型的待测壁面区域内的摩擦阻力大小的方法包括：基于背景点阵的位移情况，参照透明粘性介质在流场作用下堆积和形变产生的波峰移动速率与摩擦阻力的标定结果来确定摩擦阻力大小。
6.根据权利要求5所述的一种用于风洞实验的翼型壁面摩阻非接触测量系统，其特征在于，所述计算背景点阵的位移情况的方法包括互相关算法，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所述的一种用于风洞实验的翼型壁面摩阻非接触测量系统，其特征在于，所述透明粘性介质包括甲基硅油，所述甲基硅油的粘度和涂刷厚度根据试验对象确定。
8.根据权利要求5所述的一种用于风洞实验的翼型壁面摩阻非接触测量系统，其特征在于，所述背景点阵包括随机点阵，所述随机点阵的颜色、大小和密度根据试验对象确定。
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Non-Patent Citations (2)
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|---|
| 平板湍流边界层瞬时摩擦阻力的光学测量和统计分析;申俊琦;王建杰;潘翀;;气体物理(05);全文 * |
| 脉冲吹气对无缝襟翼翼型气动性能的影响;王万波;姜裕标;黄勇;于昆龙;张鑫;;航空学报(11);全文 * |
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| CN116952525A (zh) | 2023-10-27 |
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