[发明专利]一种湍流场中壁面摩阻时空信号的测量方法

说明书

本发明属于流体测量技术领域，具体涉及一种湍流场中壁面摩阻时空信号的测量方法。包括：S1:采集时间序列粒子图像；S2:从时间序列粒子图像中提取近壁区域粒子图像；S3:确定具有时空分辨率的查询窗口；S4:利用具有时空分辨率的查询窗口求取每个近壁区测量点的速度；S5:拟合具有时空分辨率的近壁区速度分布；S6:利用速度分布拟合得到时空下壁面摩阻信号。本发明设计了一种流场中壁面摩阻时空信号的测量方法，在空间和时间上都具有分辨率。

技术领域

本发明属于流体测量技术领域，具体涉及一种湍流场中壁面摩阻时空信号的测量方法。

背景技术

在湍流边界层中，存在着复杂的湍流相干结构，这些结构在平板壁面处产生较大的速度梯度，从而使边界层处的壁面摩擦力发生变化。摩擦阻力的精确测量对湍流及减阻控制研究有着重要的意义。

目前，测量摩擦阻力的方法，大致分为直接测量法与间接测量法两类。直接测量法即借助于敏感元器件可以直接在流体上测量出摩擦阻力，该方法操作简单，但对元器件要求较高，测量精度易受机械制造与安装的影响。间接测量法即依据壁面处很强的剪切力，测量出物理量受剪切力的影响，间接推导出摩擦阻力。热线法是常用的间接测量摩擦阻力的方法，该方法测量精度高，但壁面会有热损失，对实验造成影响，并且该方法会对流场造成一定干扰。

目前，在PIV粒子图像测速领域中所计算得到的近壁区速度分布，分辨率过低，无法反映近壁区复杂的速度梯度，并且会产生巨大的误差，现有的算法也无法保证壁面摩擦阻力空间与时间分辨率的同时满足。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供一种湍流场中壁面摩阻时空信号的测量方法。

本发明采取以下技术方案：一种湍流场中壁面摩阻时空信号的测量方法，包括：S1: 采集时间序列粒子图像；S2: 从时间序列粒子图像中提取近壁区域粒子图像；S3:确定具有时空分辨率的查询窗口；S4: 利用具有时空分辨率的查询窗口求取每个近壁区测量点的速度；S5: 拟合具有时空分辨率的近壁区速度分布；S6: 利用速度分布拟合得到时空下壁面摩阻信号。

步骤S1具体为：

用信号同步器同步控制激光器和高速相机；计算机装有高速图像采集卡，用于连接相机存储数据图像，通过粒子图像测速仪来完成采集；高速相机拍摄位于平板以下流场区域，计算机利用粒子图像测速仪将控制信号通过信号同步器将信号同步给激光器与高速相机的曝光，高速相机在得到曝光数据采集后，将粒子图像传回到计算机内并存储。

步骤S2具体为：

选取05的粘性底层视场作为流场的近壁区域，其中表示内尺度无量纲化的壁面法向高度，且，其中y为距离壁面法向高度，表示壁面摩擦速度， v表示流体运动粘度；将物理空间信息y通过像素分辨率转化为图片中相对应的像素信息进而进行提取。

步骤S3具体为：

S31：在近壁区域粒子图像中根据流场中流动情况，设置具有时空分辨率的查询窗口与查询区域；

S32：判断该查询窗口中是否包含足够的粒子灰度信息；

S33：如果查询窗口满足条件，则确定该的查询窗口的时空分辨率；

如果查询窗口不满足条件，扩大查询窗口空间尺度或增加时间尺度重复步骤S32和S33直至查询窗口满足条件；

扩大查询窗口空间尺度即在保证原有的图片序列下，扩大查询窗口的流向距离与法向距离，以此来扩大查询窗口的查询面积，增加该区域的粒子信息；

增加时间尺度即增加图像的序列数，使得在保证原来的查询区域面积不变的情况下，增加多幅图像在该区域的粒子信息。

S32中，足够的粒子灰度信息为4-5个粒子。