[发明专利]一种用于大尺度流场可视成像的纹影实验方法

权利要求书

1.一种用于大尺度流场可视成像的纹影实验方法，其特征在于：纹影系统采用纹影光源(1)中的光线穿过聚光透镜(2)、狭缝(3)后到达凹面反射镜M1(4)，光线经凹面反射镜M1(4)反射后穿过被测大尺度流场(5)到达凹面反射镜M2(7)后，凹面反射镜M2(7)反射后经刀口(8)由高速摄像机(9)捕捉并存储；所述被测大尺度流场(5)的长度L大于凹面反射镜M1的直径D；

采用上述纹影系统的实验方法，包括以下步骤：

a)划分测试区域

根据被测大尺度流场的长度L和凹面反射镜M1、M2的直径D确定测试分区数量N，N为整数；

根据分区数将被测大尺度流场划分为N个区域，单个区域最大特征长度应小于凹面镜直径10-20mm，相邻的两个区域之间设置重叠区域，重叠区域的大小一般为5～10mm；

b)设置流场及调整光路

被测大尺度流场放置在凹面反射镜M1、M2的中间位置上，其与凹面镜M1、M2的距离为凹面镜的焦距；

打开纹影光源，调节凹面反射镜M1、M2角度，使光路垂直穿过被测大尺度流场区域，调节刀口确保高速摄像机清晰成像；

c)分区域标定

利用长焦透镜进行分区域标定：将长焦透镜放置在区域视场中，提取穿过标定透镜直径的全场光强数据；将其中的斜率区域数据带入公式(2)中，构建纹影成像中穿越被测大尺度流场的光强与被测大尺度流场密度梯度之间的定量关系，标定结果作为流场密度梯度定量计算的基础；

其中，ρ为介质密度；n_∞为空气的折射系数，约等于1；Y为沿光路方向的流场宽度；к为Gladstone-Dale常数，空气为2.23×10^-4m³/kg；n为介质折射系数函数；f为标定透镜焦距；r₀为透镜中心位置与背景的光强差，r为标定透镜上任一点与中心位置的光强差；

按以上步骤完成不同区域的标定；

e)纹影测试及数据拼接

分区域标定完成后，利用纹影仪进行分区域流场测试，获得基础纹影图像，将分区流场图像进行二值化处理后，按照分区标定结果，利用公式(2)计算得出基于二值化图像的分区内流体介质密度梯度图；进一步按照空间定位进行拼接，即可获得全流场区域的纹影图像和密度梯度图像；

拼接方法为：分别对不同区域的纹影图像进行去除背景噪音处理，将彩色纹影图像转变为灰度图；然后按照坐标锚定空间位置，将不同区域的灰度图拼接为一个整体灰度图；根据灰度强度的标定数据，将灰度图像按标定数据进行对应查值，即可转变为密度梯度的定量表达。

2.根据权利要求1所述的一种用于大尺度流场可视成像的纹影实验方法，其特征在于：所述空间定位采用在可视范围内加入空间定位标尺或是选用标记物进行定位，用于设定被测大尺度流场的分区域坐标，拼接时进行空间位置锚定。

3.根据权利要求1所述的一种用于大尺度流场可视成像的纹影实验方法，其特征在于：所述高速摄像机的拍摄频率不低于介质流动的特征频率，即具有足够的时间分辨率。

4.根据权利要求1所述的一种用于大尺度流场可视成像的纹影实验方法，其特征在于：该方法适用于周期性或准周期性流动行为的可视化呈现。