[发明专利]基于图像处理的超声速流场特征测试系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于图像处理的超声速流场特征测试系统及方法，该系统包括：流体发生组件；粒子生成组件，用于对流体进行加速降压，使流体降温凝华生成微米量级或者纳米量级的冰晶示踪粒子；流场测试段，用于接收具有冰晶示踪粒子的流体；图像获取组件，用于获取流场测试段内的流场粒子分布图像；结果分析组件，基于流场粒子分布图像得到流场测试段内的流体的流场参数。能够自发生成示踪粒子，且能够动态便捷的控制示踪粒子的粒径和密度，从而得到粒子跟随性好、图像分辨率高的实验结果，解决了PIV、NPLS粒子布撒困难，布撒不均、跟随性差等问题。还能有效解决固体示踪粒子粘附壁面及堆积导致的实验问题。

技术领域

本发明涉及流场测量技术领域，具体是一种基于图像处理的超声速流场特征测试系统及方法。

背景技术

PIV(Particle Image Velocimetry，粒子图像测速法)是常见的流场测量的方法，能够生成捕捉含示踪粒子的图像信息，通过处理得到有效的流体速度、流场湍流度等有效流场信息，但目前PIV存在的普遍问题在于粒子布撒困难，粒子布撒困难，粒子跟随性不强，特别是对于高超声速流体，其流速过快，对粒子的跟随性要求更高，导致生成捕捉的图像质量不佳，是当前制约PIV技术实际应用的重点问题，而且在进行高超声速实验时，示踪粒子的粘附性也会造成壁面污染，影响实验质量、甚至影响高超声速实验台的正常工作。

NPLS(Nano-tracer Planar Laser Scattering，纳米示踪平面激光散射技术)作为能够获得高分辨率流场特性图像的可视化分析方法，通过生成捕捉包含k-h涡、激波、混合层发展与滑移线等流场细部结构的高分辨率图像，通过分析图像研究其流场结构和演化过程，其同样存在粒子布撒困难、粒子跟随性不强的问题。

示踪粒子的跟随性和光散射特性主要取决于示踪粒子材料的密度和粒径，相同的示踪粒子，示踪粒子的粒径越小，跟随性就越好，数据可信度越高，但粒子粒径不能过小，会影响成像信噪比。

目前现有技术中大多通过离子发生器喷出固体粒子作为示踪粒子，例如发明专利《一种用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子发生器》(公开号：CN112229597A)示出了一种PIV示踪粒子发生器，其通过机械结构(Laskin喷嘴和管路布置)实现粒子均匀布置。发明专利《用于大型高速风洞PIV试验的示踪粒子浓度控制方法》(公开号：CN112197934A)通过控制喷嘴数量，实现示踪粒子密度控制。发明专利《基于高超声速脉冲风洞的进气道流场NPLS测量系统及方法》(授权公告号：CN103149010B)也是利用粒子发生器注入固体纳米粒子，完成示踪粒子布撒。上述现有技术，不仅都需要专门用到结构复杂的粒子发生器，且采用传统的固体粒子，例如TiO₂，MgO等，不仅价格或制作成本都比较高，而且其调节示踪粒子密度比较机械，且一般难以调节示踪粒子的粒径。若是需要微米级或纳米级的固体粒子，将会更加昂贵。而且，采用通过离子发生器喷出固体粒子时，还会出现几个固体离子粘接成团导致成像效果较差的问题。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于图像处理的超声速流场特征测试系统及方法，能够自发生成示踪粒子，且能够动态便捷的控制示踪粒子的粒径和密度，从而得到粒子跟随性好、图像分辨率高的PIV/NPLS实验结果，解决了常规PIV、NPLS粒子布撒困难，布撒不均、跟随性差等问题。同时还能有效解决固体示踪粒子粘附壁面及堆积导致的实验问题。

为实现上述目的，本发明提供一种基于图像处理的超声速流场特征测试系统，包括：

流体发生组件，用于产生流体；

粒子生成组件，与所述流体发生组件相连，用于对流体进行加速降压，使流体降温凝华生成微米量级或者纳米量级的冰晶示踪粒子；

流场测试段，与所述粒子生成组件相连，用于接收具有冰晶示踪粒子的流体；

图像获取组件，设在所述流场测试段上，用于获取流场测试段内的流场粒子分布图像；