[发明专利]一种高精度非接触气动摩擦阻力测量方法及测量装置

摘要

本发明公开了一种基于粒子图像测速(PIV)原理的高精度非接触气动摩擦阻力测量方法及测量装置，用于在空气动力学风洞试验中通过非接触光学方法，快速测量模型表面气动摩擦阻力的一维分布，测量仪包括双脉冲激光器和片光系统、接收和记录粒子散射光的CCD相机、同步控制器与计算机。在风洞试验中使用该测量仪测量得到模型近壁面的粒子图像对序列，其后采用单像素系综互相关算法对其进行图像处理计算，能够得到空间分辨率较高的近壁区平均流向速度场，根据牛顿内摩擦定理，由壁面处的速度梯度计算出精度较高的摩擦力及其一维分布。本发明具有精度高，对设备要求较低，测量时间快，对温度、湿度等外界条件不敏感等优点。

主权项

一种高精度非接触气动摩擦阻力测量方法，其特征在于：通过下述步骤实现：步骤1：在流场中播撒示踪粒子；步骤2：照明流场；步骤3：待流场稳定；步骤4：采集示踪粒子跨帧图像对；对于典型风洞试验，采样时间需要超过2分30秒，采集的粒子跨帧图像对需要超过2000对；每对示踪粒子跨帧图像对为t与t+Δt时刻记录下的粒子图像，Δt为跨帧时间；步骤5：对步骤4得到示踪粒子跨帧图像对进行处理，采用单像素系综互相关算法得到模型表面近壁区平均流向速度场及速度梯度；A、对粒子跨帧图像对进行分组；将步骤4中采集的全部示踪粒子跨帧图像对分开成两个组，第一组图像为每对示踪粒子跨帧图像对中在t时刻记录下的示踪粒子图像，记为set1；第二组图像为每对示踪粒子跨帧图像对中在t+Δt时刻记录下的示踪粒子图像，记为set2；B、set1与set2中的图像匹配；以灰度强度显示set1中每幅图像中的每一个示踪粒子，并采用单像素系综互相关方法，在set2中找到与set1中图像对应的图像中的示踪粒子进行匹配，具体方式为：令示踪粒子跨帧图像对中，set1中的示踪粒子跨帧图像中像素点坐标为(i，j)，set2中对应的像素点邻域内相距坐标(Δr,Δs)的像素点坐标为(i+Δr，j+Δs)；则Nf个示踪粒子跨帧图像对的系综相关函数用公式表示为：RΔr,Δs(i,j)=1Nf-1×Σn=1Nf(Ii,jn-Ii,j‾)(Ii+Δr,j+Δsn-Ii+Δr,j+Δs‾)σi,jσi+Δr,j+Δs]]>式中，和分别为第n个示踪粒子跨帧图像对中位于set1中图像与set2中图像像素点的灰度值；和是Nf个示踪粒子跨帧图像对中位于set1中图像与set2中图像像素点的灰度强度系综平均值，σ表示灰度强度的标准差：σi,j=1Nf-1Σn=1Nf(Ii,jn-Ii,j‾);]]>得到Nf个示踪粒子跨帧图像对的系综相关函数之后，利用互相关算法找到系综相关函数RΔr,Δs(i,j)的峰值，进而得到示踪粒子在set1和set2间的位移，最终得到示踪粒子的运动速度，且利用中心差分法得到某一法向高度y处的速度梯度；步骤6：根据牛顿内摩擦定律计算出飞行器模型表面的摩擦阻力。