[发明专利]一种用于大尺度流场可视成像的纹影实验方法

说明书

一种用于大尺度流场可视成像的纹影实验方法，属于流体流动实验测试技术领域，涉及将直接纹影法拍摄的分区流场图像进行拼接合成为全尺度流场图像。直接成像纹影系统中两个凹面镜可成直线或Z形布置，确保成像清晰；高速摄像机的拍摄频率不低于被拍摄流动的特征频率；空间定位系统用于设定被测大尺度流场的分区域坐标及成像拼接时的空间位置锚定；标定系统用于构建纹影成像中穿越被测大尺度流场的光折射率与被测大尺度流场密度梯度之间的定量关系。该方法突破了直接纹影法凹面镜直径对测试流场尺度的限制，利用小直径纹影系统，在完成分区域光路折射标定和测试的基础上，实现对大尺度流场的可视成像；适用于周期性或准周期性流动行为的可视化呈现。

技术领域

本发明属于流体流动实验测试技术领域，针对大尺度流场流动显示，具体涉及利用直接纹影法进行分区测试，将分区流场图像进行拼接合成为全尺度流场图像。

背景技术

流动显示是空气动力学、爆炸与冲击、燃烧与化学反应等很多研究领域中一种重要的测试技术之一，目前采用的流动显示方法主要为平行光纹影仪，也称直接纹影法，其对流动介质密度一阶导数变化敏感，通过对流场显示成像就可以获得测试区域的密度变化情况，为流体实验研究提供重要的基础保障。

随着科研实验的深入发展，要求流动显示的测试区域越来越大，而常规平行光纹影仪测试视场受制于凹面镜直径，大尺度流场测试凹面镜制造成本激增。最近几年发展了聚焦纹影技术(FocusSchlieren，FS)、背景导向纹影(Background-Oriented Schlieren，BOS)技术也都能够实现对流动进行显示，但是FS技术中需要使用菲涅耳透镜，因为边缘效应及菲涅耳透镜多焦点原因，获得的流动图像光斑均匀性不理想。BOS技术视场可以很大，但是BOS是非实时显示纹影技术，需要对获得的图像采用类似粒子图像测速即互相关运算后才能够对流动进行显示，图像分辨率较低、数据误差较大，在工程上难以进行实际运用。

专利“一种用于流动显示的直接纹影成像系统”(CN 108333790.A)由矩阵光源、柔光屏、源格栅、图像接收屏和图像接收系统构成，其原理本质依旧是要求光源光束覆盖被测区域，方能获得大视场流场显示。

发明内容

为了满足大尺度流场成像测试需要，本发明设计了一种基于直接纹影法拍摄的分区流场图像进行拼接合成为全尺度流场图像的方法，突破了直接纹影法凹面镜直径对测试流场尺度的限制，利用小直径纹影系统，在完成分区域光路折射标定和测试的基础上，实现对大尺度流场的可视成像。

主要包括：直接成像纹影系统，两个凹面镜可成直线或Z形布置，确保成像清晰；高速摄像机，其拍摄频率不低于介质流动的特征频率；空间定位系统，用于设定被测大尺度流场的分区域坐标，用于后续流场成像拼接时进行空间位置锚定；标定系统，用于构建纹影成像中穿越被测大尺度流场的光折射率与被测大尺度流场密度梯度之间的定量关系。本方法适用于周期性或准周期性流动行为的可视化呈现。

本发明技术方案为：纹影系统采用纹影光源中的光线穿过聚光透镜、狭缝后到达凹面反射镜M1，光线经凹面反射镜M1反射后穿过被测大尺度流场到达凹面反射镜M2后，凹面反射镜M2反射后经刀口由高速摄像机捕捉。

所述被测大尺度流场的长度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