CN204988587U - 一种高精度非接触气动摩擦阻力测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于粒子图像测速(PIV)原理的高精度非接触气动摩擦阻力测量装置，用于在空气动力学风洞试验中通过非接触光学方法，快速测量模型表面气动摩擦阻力的一维分布，测量仪包括：双脉冲激光器和片光系统、接收和记录粒子散射光的CCD相机、同步控制器与计算机。在风洞试验中使用该测量仪测量得到模型近壁面的粒子图像对序列，其后采用单像素系综互相关算法对其进行图像处理计算，能够得到空间分辨率较高的近壁区平均流向速度场，根据牛顿内摩擦定理，由壁面处的速度梯度计算出精度较高的摩擦力及其一维分布。本实用新型具有精度高，对设备要求较低，测量时间快，对温度、湿度等外界条件不敏感等优点。

Description

一种高精度非接触气动摩擦阻力测量装置

技术领域

本实用新型涉及激光测速技术领域中的粒子图像测速(ParticleImageVelocimetry，简称PIV)技术，具体来说，是一种高精度非接触式气动摩擦阻力测量方法及测量装置。

背景技术

对于航空航天飞行器而言，由气流相对运动引起的壁面摩擦阻力是影响飞行器空气动力学特性的重要力学指标，是在地面风洞试验中需要准确测量的物理量。测量壁面摩擦阻力的方法包括：直接测量方法，边界层动量积分方法，Preston管法，Stanton管法，热比拟方法，油膜干涉法和液晶涂层法等。这些方法的实验装置都存在着不足，直接测量实验装置简单，但测量范围小，操纵困难且误差较大，Preston管和Stanton管方法的实验装置实际上是一个矩形的空速管，测量时需要将测试探头放入流场；热比拟方法，油膜干涉法和液晶涂层法的实验装置包括热膜，油滴以及涂层，引入这些不仅会对流场产生干扰，而且易受温度及光照条件影响，实验可重复性较差，精度较低。而近年发展起来的PIV技术以非接触光学测量的方法测量靠近壁面的流场速度，能够解决探头/涂层干扰问题。在PIV测速的基础上应用牛顿内摩擦定律，即可获得壁面摩擦阻力。由于壁面摩擦阻力计算依赖于壁面处流向速度的法向梯度，因此提高摩擦阻力测量精度的关键是得到空间分辨率较高的速度场。然而传统的PIV测量装置在测量摩擦阻力时多采用焦距在90mm以下的镜头，空间分辨率不高。

实用新型内容

本实用新型提供一种高精度非接触气动摩擦阻力测量装置，用于在空气动力学风洞试验中通过非接触光学方法，快速测量模型表面气动摩擦阻力的一维分布。

本实用新型高精度非接触气动摩擦阻力测量装置，包括风洞、激光器、片光系统、CCD相机、同步控制器与计算机。

其中，风洞用来产生并且控制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况，并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象。激光器采用双脉冲Nd:YAG激光器，用于照明流场；激光器的发射端安装有片光系统，片光系统用来将激光器发射的激光束扩散成片光。由于需测量流向平均速度沿飞行器模型表面外法线方向分布，因此片光应与流场的速度方向平行且垂直于飞行器模型需要进行摩擦阻力测量的表面。CCD相机是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号，并存入计算机。由于边界层厚度尺寸较小，粒子浓度相对较低，为了拍摄到分辨率较高的图像，CCD相机选择腾龙SPAF180mmF/3.5DiLD[IF]MACRO1:1长焦微距镜头，使CCD相机的光轴与片光平面相垂直；通过CCD相机采集一定时间内沿飞行器模型需要进行摩擦阻力测量的表面外法线方向一定高度内的示踪粒子的跨帧图像对，转变成数字信号并存入控制计算机。同步控制器具有三个接口，分别通过连接线与激光器、CCD相机以及计算机相连接。通过同步控制器接收计算机发送的数字信号，同时用来触发CCD相机和激光器工作，使得CCD相机可在双曝光模式下采集示踪粒子的跨帧图像对。

1、本实用新型高精度非接触气动摩擦阻力测量装置，在图像采集过程中采用长焦微距镜头能够以较高的分辨率记录粒子图像，由此利用单像素系综相关算法进行图像处理可以得到每一个像素上的时间平均速度，具有很高的空间分辨率，为准确获得壁面摩擦阻力奠定了基础；

2、本实用新型高精度非接触气动摩擦阻力测量方法及测量装置，能够获得更高精度的壁面摩擦阻力一维分布，并且对测量设备要求较低，测量时间快，对温度、湿度等外界条件不敏感。

附图说明

图1为本实用新型高精度非接触气动摩擦阻力测量仪结构示意图。

图2为本应用实用新型精度非接触气动摩擦阻力测量仪的粒子图像测速方法流程图。

图3为单像素精度算法示意图。

图4为根据牛顿内摩擦定律计算壁面摩擦阻力的原理示意图。

图中：

1-风洞2-激光器3-片光系统

4-CCD相机5-同步控制器6-计算机

7-示踪粒子

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

本实用新型高精度非接触气动摩擦阻力测量装置，包括风洞1、激光器2、片光系统3、CCD相机4、同步控制器5与计算机6。

其中，风洞1用来产生并且控制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况，并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具之一。激光器2采用双脉冲Nd:YAG激光器2，用于照明流场；激光器2的发射端安装有片光系统3，片光系统3用来将激光器2发射的激光束扩散成片光。由于需测量流向平均速度沿飞行器模型表面外法线方向分布，因此片光应与流场的速度方向平行且垂直于飞行器模型需要进行摩擦阻力测量的表面。CCD相机4是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号，并存入计算机6。由于边界层厚度尺寸较小，粒子浓度相对较低，为了拍摄到分辨率较高的图像，CCD相机4选择腾龙SPAF180mmF/3.5DiLD[IF]MACRO1:1长焦微距镜头，使CCD相机4的光轴与片光平面相垂直；通过CCD相机4采集一定时间内沿飞行器模型需要进行摩擦阻力测量的表面外法线方向一定高度内的示踪粒子7的跨帧图像对，转变成数字信号并存入控制计算机6。同步控制器5具有三个接口，分别通过连接线与激光器2、CCD相机4以及计算机6相连接。通过同步控制器5接收计算机6发送的数字信号，同时用来触发CCD相机4和激光器2工作，使得CCD相机4可在双曝光模式下采集示踪粒子7的跨帧图像对。

通过上述结构高精度非接触气动摩擦阻力测量装置，通过下述步骤实现气动摩擦阻力的测量：

步骤1：在流场中播撒示踪粒子7；

在PIV实验中，示踪粒子7大小及浓度的选择一定程度上影响着测量精度，故在进行实验前需要根据实验条件及要求选取适当大小的示踪粒子7及浓度，通常情况下气体环境中粒径在1-5μm时综合性能较好；而由本实用新型通过验证实验已经得知，利用单像素系综相关算法的最优粒子直径为3～4像素，具体选择还要根据具体实验的视场范围、微距镜头与测试平面的距离、激光器2输出光强等参数进一步确定。

步骤2：采用激光器2照明流场。

步骤3：开启风洞1待流场稳定。

步骤4：通过CCD相机4，采集示踪粒子跨帧图像对；

对于典型风洞试验，CCD相机4采样时间需要超过2分30秒，采集的粒子跨帧图像对需要超过2000对；每对示踪粒子跨帧图像对为CCD相机4曝光t与t+Δt时刻记录下的粒子图像，Δt为跨帧时间。上述CCD相机4曝光的间隔时间和跨帧时间的选择要根据流场的流速以及视野范围来选择，选择的依据就是使得示踪粒子7在跨帧时间内移动的像素要大于粒子在图像中所占据的像素个数，小于10个像素大小左右。

步骤5：将由步骤4得到示踪粒子跨帧图像对，导入计算机6进行数据处理，采用单像素系综互相关算法进行计算，得到模型表面近壁区平均流向速度场及速度梯度；

A、对粒子跨帧图像对进行分组；

将由步骤4中由CCD相机4采集的全部示踪粒子跨帧图像对分开成两个组，如图3所示，第一组图像为每对示踪粒子跨帧图像对中CCD相机4在曝光t时刻记录下的示踪粒子图像，记为set1；而第二组图像为每对示踪粒子跨帧图像对中CCD相机4在曝光t+Δt时刻记录下的示踪粒子7图像，记为set2。

B、set1与set2中的图像匹配；

以灰度强度显示set1中每幅图像中的每一个示踪粒子7，并采用单像素系综互相关方法，在set2中找到与set1中图像对应的图像中的示踪粒子7进行匹配，具体方式为：

令示踪粒子跨帧图像对中，set1中的示踪粒子跨帧图像中像素点坐标为(i，j)，set2中对应的像素点邻域内相距坐标(Δr,Δs)的像素点坐标为(i+Δr，j+Δs)，如图2所示；

则全部N_f个示踪粒子跨帧图像对的系综相关函数用公式表示为：

$R_{\mathrm{\Δ}r,\mathrm{\Δ}s}(i,j)=\frac{1}{N_f-1}\×\frac{\underset{n=1}{\overset{N_f}{\Σ}}(I_{i,j}^n-\stackrel{\‾}{I_{i,j}})(I_{i+\mathrm{\Δ}r,j+\mathrm{\Δ}s}^n-\stackrel{\‾}{I_{i+\mathrm{\Δ}r,j+\mathrm{\Δ}s}})}{{\mathrm{\σ}}_{i,j}{\mathrm{\σ}}_{i+\mathrm{\Δ}r,j+\mathrm{\Δ}s}}---\left(2\right)$

式中，和分别为第n个示踪粒子跨帧图像对中位于set1中图像与set2中图像像素点的灰度值；和是N_f个示踪粒子跨帧图像对中位于set1中图像与set2中图像像素点的灰度强度系综平均值，σ表示灰度强度的标准差：

${\mathrm{\σ}}_{i,j}=\sqrt{\frac{1}{N_f-1}\underset{n=1}{\overset{N_f}{\Σ}}(I_{i,j}^n-\stackrel{\‾}{I_{i,j}})}.---\left(3\right)$

得到N_f个示踪粒子跨帧图像对的系综相关函数之后，利用互相关算法找到系综相关函数R_Δr,Δs(i,j)的峰值，即为set1中位于像素点(i,j)的示踪粒子在set2中对应示踪粒子间的时间平均空间位置。为了提高精度，采用二维高斯回归方法将系综相关函数R_Δr,Δs(i,j)的峰值的识别精度提高到亚像素量级。由此可以得到示踪粒子7在set1和set2间的位移，即示踪粒子7在t时刻与t+Δt时刻间的位移。最后，由于跨帧时间Δt已知，由此可得到示踪粒子7的运动速度；且利用中心差分法可以得到某一法向高度y处的速度梯度。

步骤6：根据牛顿内摩擦定律计算出飞行器模型表面的摩擦阻力。

摩擦应力是单位面积上的摩擦阻力，二者之间关系是摩擦应力乘以面积等于摩擦阻力。

如图3所示，摩擦应力计算公式为：

${\mathrm{\τ}}_w=\mathrm{\μ}\frac{\∂u}{\∂y}{|}_{y=0}---\left(4\right)$

其中，μ为流体的动力粘性系数，为飞行器模型中需要进行摩擦阻力测量的表面近壁区平均流向速度的法向梯度，表示单位法向高度上速度的变化，如图3所示；u为流场速度，y是飞行器模型中需要进行摩擦阻力测量的表面外法线坐标。

上述方法求得的摩擦应力是单位面积上的摩擦阻力，二者之间关系是摩擦应力乘以面积等于摩擦阻力。

Claims (3)

1.一种高精度非接触气动摩擦阻力测量装置，其特征在于：包括风洞、激光器、片光系统、CCD相机、同步控制器与计算机；

其中，风洞用来产生并且控制气流；激光器的发射端安装有片光系统；片光与流场的速度方向平行且垂直于飞行器模型需要进行摩擦阻力测量的表面；CCD相机与计算机相连；CCD相机的光轴与片光平面相垂直；同步控制器具有三个接口，分别通过连接线与激光器、CCD相机以及计算机相连接。

2.如权利要求1所述一种高精度非接触气动摩擦阻力测量装置，其特征在于：所述激光器采用双脉冲Nd:YAG激光器。

3.如权利要求1所述一种高精度非接触气动摩擦阻力测量装置，其特征在于：所述CCD相机采用长焦微距镜头。