[发明专利]一种流场实时精确测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于流体测量领域，更具体地，涉及一种流场实时精确测量系统及方法。

背景技术

在对流场内部流动的模拟及其测试的研究中，以往的测试方法，如探针法、LDV系统等对流场有很大的干扰，从而使测试的结果和研究结论与实际有较大的出入。

在流场测速领域，尤其是在高超音速流场测速领域，精确的流体动力学测量显得更加重要。超高速运动的物体运动状态下遇到阻碍物会出现激波、膨胀波、附面层等复杂流场现象，其气动特性呈现出超高速、非定常、高度非均匀等特点。现在对流场全场动力学特性精确测量技术与仪器提出挑战：(1)需要测量仪器具有非接触、无干扰、全场瞬时速度测量功能；(2)流场速度在时间尺度上表现为非定常特性，即同一测量点的流体速度具有大范围的时变特性，需要测量仪器能够实时在线观测空气流场时序变化的能力；(3)流场速度在空间尺度上表现为高度非均匀特性，即在同一测量窗口的不同测量区域内，示踪粒子浓度差别很大，需要测量仪器具有自适应调整测量模式的功能。研制高速，尤其是高超音速、非定常、高度非均匀流场的精确测量仪器已成为高性能航空发动机研制的关键。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种流场实时精确测量系统及方法，其目的在于通过时间分辨率和空间分辨率自适应的流场测量，由此解决目前时间分辨率和空间分辨率固定的流场测量系统对于变化剧烈的流场测量精度较低、误差大、不能实时反应流场，尤其是高超音速流场的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种流场全场动力学特性进行精确测量的系统，包括：示踪粒子发生器、图像处理子系统和PIV测量子系统；其中：

示踪粒子发生器，用于产生示踪粒子并释放到待测流场，设置在待测流场上游；

图像处理子系统，包括激光发射单元和图像采集装置，所述激光发射单元，用于产生多束激光并合束后调制成高能薄片状激光片光，激光片光沿流场方向布置，照亮示踪粒子；图像采集装置，设置在激光发射单元照亮区域，用于采集流场纵剖面的示踪粒子反射的激光，并将激光分束按照图像采集时间间隔成像，从而得到流场纵剖面示踪粒子图像数据并传送给PIV测量子系统；

PIV测量子系统，用于接受图像采集装置采集的流场纵剖面示踪粒子图像数据，测量全流场速度矢量，并按照流场变化越剧烈示图像采集时间间隔越短的原则，计算图像采集时间间隔传送给所述图像采集装置。

优选地，所述流场实时精确测量系统，其激光发射单元包括激光发生器、光学组件和片光源发生器；其中：

激光发生器，用于发射多束柱状激光束激光；

光学组件，用于将多束柱状激光束激光合束；

片光源发生器，用于将激光束调制成薄片状；

多束激光发生器发出的柱状光束激光经过柱透镜组，形成单数高频大功率脉冲激光，经片光源发生器调制成薄片状激光片光。

优选地，所述流场实时精确测量系统，其激光发射单元的光学组件包括与水平面成45°放置的条纹镜以及设置于条纹镜的出射光路上的偏振合束原件。

优选地，所述流场实时精确测量系统，其片光源发生器包括用于将合束后的激光束转换为激光偏光的柱面透镜组以及用于将激光片光进行多次反射使得激光亮度增强的反射镜腔组。

优选地，所述流场实时精确测量系统，其图像采集装置，包括镜头、棱镜组、高速图像传感器阵列和控制器；

工作时，入射光线经过所述镜头入射至所述棱镜组，所述棱镜组将入射光线分成N个光强各不相同的子光束，N个子光束分别聚焦在与所述入射光线垂直的高速图像传感器阵列中N个图像传感器上，控制器接收PIV测量子系统传送的图像采集时间间隔，并根据采集图像时间间隔，分别控制各个图像传感器依次分时触发曝光，获得不同时刻物体的图像。

优选地，所述流场实时精确测量系统，其PIV测量子系统，包括上位机和下位机，其中：所述上位机，采用CPU+GPU的运行处理环境，用于接受图像采集装置采集的流场纵剖面示踪粒子图像数据并传递给下位机进行处理，还用于实时显示全流场速度矢量；所述下位机，采用多DSP和多FPGA叠加的方案，用于并行处理流场粒子图像从而计算时间分辨率调整信息和空间分辨率调整信息，并根据时间分辨率调整信息计算图像采集时间间隔传递给图像处理子系统的图像采集装置、根据空间分辨率调整信息计算当前查询窗口参数从而估计全流场速度矢量；所述上位机与下位机通过通信接口相连。

按照本发明的另一方面，提供了一种流场实时精确测量的方法，包括以下步骤：