[发明专利]基于荧光油膜厚度在线标定的全局摩阻测量方法

说明书

本发明公开了一种基于荧光油膜厚度在线标定的全局摩阻测量方法，包括如下步骤：步骤一、在试验模型表面构建由n×m个油膜厚度传感器组成的在线测厚网格；步骤二、在试验模型表面喷绘等距黑线条网格作为背景纹理；步骤三、在试验模型表面刷荧光油膜；步骤四、模型及其荧光油膜路径的运动解耦；步骤五、计算荧光油膜路径运动速度；步骤六、基于荧光油膜灰度的全局油膜厚度动态标定；步骤七、计算试验模型表面的摩阻。本发明将模型表面的背景纹理作为基准，获得相邻时序图像中背景纹理的映射矩阵，实现了模型振动与其表面荧光油膜路径运动的解耦；实现基于荧光油膜厚度在线标定的全局摩阻测量。

技术领域

本发明属于实验流体力学、风洞试验、机器视觉和视频测量技术领域，具体涉及一种基于荧光油膜厚度在线标定的全局摩阻测量方法。

背景技术

摩阻是飞行器表面摩擦阻力的简称。降低摩阻意味着飞行器的油耗下降、航程增加，对于高超声速飞行器还意味着其表面热流降低，防热材料重量减少，有效载荷增加。例如，现代大型宽体民机巡航飞行时摩阻可占总阻力的50％，远超其他阻力项，摩阻每下降1％，油耗和碳排放量可下降0.625％；对于高超声速飞行器，其摩阻最大时可占总阻力的50％以上，直接关系到其有效航程，甚至影响到超燃冲压发动机的推阻平衡。

另一方面，准确的全局摩阻测量数据与清晰的摩阻线图谱对于空气动力学基础研究也至关重要。既能为创建与验证近壁湍流模型提供依据，又能为物面流动特性、分离特性以及涡形成机理研究等提供了重要的手段与数据，还是考核湍流的理论研究(如模式理论)与检验数值模拟结果的重要依据之一。

因此，高精度的全局摩阻测量技术对于飞行器的减阻研究与设计不可或缺。虽然基于微机电技术(MEMS)的摩擦天平与热膜在未来有巨大的潜力，但现阶段面临制造难、成本高、空间分辨率低等问题；液晶膜的测量结果对光源和观测角度的敏感也阻碍了其运用到复杂外形的试验模型，加之其颜色变化不仅与摩阻相关还与测量的温度相关，而且为了定量测量表面摩擦应力需要5至10个相机以获得足够多方位角的图像数据，现有高速风洞试验条件难以满足；基于干涉的油膜摩阻测量能实现较高空间分辨率的全局测量，但仍难满足复杂形面的摩阻分布测量需求；表面应力敏感膜通过横向变形和垂直变形来测量摩阻和正压力，但这两个方向的变形存在一定的耦合干扰。

基于荧光油膜的全局摩阻测量法，较其他全局摩阻测量技术，具有设备简单(仅需紫外激发光源、相机与镜头)、空间分辨率高、对模型物面无特殊要求等优点，成为未来的发展趋势。该法是在油膜中加入荧光分子，通过荧光油膜控制方程，建立荧光油膜(受紫外光激发的辐射光成像)灰度与其运动速度的关系，获得油膜在表面摩阻、压力梯度、体积力以及表面张力等作用下其厚度随时间变化的关系，由于摩阻与油膜厚度的一次方相乘，而其他项则是与油膜厚度的二次方相乘，因此，在油膜厚度极小时，方能简化得出荧光油膜摩阻测量模型

式中g为油膜空间坐标下给定点P的亮度(即受紫外光激发的辐射光成像灰度)，τ_x和τ_y为摩阻，μ₀为油膜的动力粘性系数,h为点P处的油膜厚度。因此，荧光油膜全局摩阻测量过程是：先用相机获取荧光油膜受激发辐射光成像灰度的时空变化信息，代入式(1)第一个方程，用光流法求出荧光油膜路径平均运动速度，将其和油膜厚度代入第二、第三个方程中可获得摩阻值。

但是，高速风洞试验中模型在非定常气动力或气流脉动作用下或多或少存在振动，原因在于：我国现有试验模型多通过杆式悬臂梁承载结构与风洞中部支架相连，因支撑刚度不足出现振动，因此，从模型物面荧光油膜时序图像中，解得的荧光油膜路径平均速度必然含有模型运动速度。致使光流约束方程求解得的全局摩阻测量数据出现较大误差。

更重要的是，目前尚不能在试验中准确测得时变的油膜厚度数据，无法定量摩阻、压力梯度、体积力以及表面张力等的影响权重，难以保证全局摩阻测量的准度。

发明内容