[发明专利]风洞试验模型绕流密度投影场的视频测量方法

说明书

本发明公开了一种风洞试验模型绕流密度投影场的视频测量方法，通过测量非平行光经过扰动流场的偏折角，建立了扰动流场折射率与偏折角间的量化关系，使用解析表达式直接计算扰动流场对应位置的密度投影量值，计算复杂度远远小于求解偏微分方程的密度投影场分析方法，还避免了离散数据微分运算可能带来的误差放大和峰值丢失的问题，为密度投影场的定量分析提供一条新途径。使用该方法进行风洞试验模型绕流密度投影场测量时，解决了传统纹影和阴影技术定量化不足、干涉测量技术抗干扰能力差、波面传感器空间分辨率不够及现有BOS技术的缺陷问题。

技术领域

本发明属于风洞试验的流动显示领域，特别涉及一种风洞试验模型绕流密度投影场的视频测量方法。

背景技术

对高速/超高速飞行器复杂绕流的流场参数进行测试，是流动理论研究和发展流动控制技术的重要手段。虽然计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)已迅速发展，但对流动分离/旋涡、激波/边界层/剪切层等高度非线性/非定常复杂流动现象，CFD还不能建立较精确的模型，难以准确模拟高速/超高速飞行器复杂绕流流场。

目前，在风洞试验中复杂绕流的流场参数测试技术主要有：纹影和阴影技术，基于相位变化的干涉测量技术、波面传感器技术和近年来出现的背景纹影技术(BackgroundOriented Schlieren,BOS)等。

纹影和阴影技术因很难建立图像与待测物理量之间的关系，只能对流场密度进行定性分析。

基于相位变化的干涉测量技术是一种定量测试手段，但高分辨率的干涉系统十分昂贵，易受到环境干扰，数据后处理算法复杂。

波面传感器在大温度梯度流场、高马赫数流场的密度分析中得到了广泛的应用，但空间分辨率一直受限于微透镜板的尺寸。

背景纹影(Background Oriented Schlieren，BOS)技术借助数字图像处理中的互相关算法计算给定图像区域的偏折位移矢量场，再通过在计算机上使用数值计算方法求解关于流场折射率的偏微分方程，实现流场密度投影的定量分析。

但是使用BOS技术进行流场密度定量分析方面还存在以下不足：(1)由于BOS技术互相关算法通过求取迭代窗口的互相关系数来获得整个窗口的位移变化量，窗口选择过大，会降低偏移量的精度，窗口选择过小，又导致窗口的特征值过少，可能会产生多个相似的峰值，得不到正确的结果；(2)关于折射率的偏微分方程涉及到微分运算，尤其是对流动分离/旋涡、激波/边界层/剪切层等区域的偏折位移数据进行微分运算时，极有可能导致测量误差放大和峰值丢失；(3)使用数值方法求解关于折射率的偏微分方程时，计算过程复杂，在流动分离/旋涡、激波/边界层/剪切层等突变区域，对网格剖分技术和求解方法有很多特殊的要求，更是增加了求解偏微分方程的复杂度。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种风洞试验模型绕流密度投影场的视频测量方法，通过测量非平行光经过扰动流场的偏折角，建立了扰动流场折射率与偏折角间的量化关系，使用解析表达式直接计算扰动流场对应位置的密度投影量值，计算复杂度远远小于求解偏微分方程的密度投影场分析方法，还避免了离散数据微分运算可能带来的误差放大和峰值丢失的问题，为密度投影场的定量分析提供一条新途径。使用该方法进行风洞试验模型绕流密度投影场测量时，解决了传统纹影和阴影技术定量化不足、干涉测量技术抗干扰能力差、波面传感器空间分辨率不够及现有BOS技术的缺陷问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种风洞试验模型绕流密度投影场的视频测量方法，包括如下步骤：

步骤一、在风洞试验的试验现场搭建BOS光路，其中：相机的光轴与风洞坐标系的z轴平行，背景板与风洞坐标系的z轴垂直，在背景板上布置行列相间的圆形标记点；测量背景板到风洞试验段中心平面间的距离Z_D，测量背景板上至少3个圆形标记点在风洞坐标系下的坐标值；