[发明专利]一种荧光油流摩擦力场测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明属于风洞试验模型表面相对摩擦力场测量装置。

背景技术

飞行器阻力一直是空气动力学研究的难点和热点之一，由表面摩擦阻力、诱导阻力、压差阻力和干扰阻力等构成，表面摩擦阻力是其中一项重要的阻力源。

摩擦阻力是最重要和测量最困难的流体流动参数之一。目前，用于模型表面摩擦力测量的技术基本上是基于单点测量的技术，这类方法无法提供全局的摩擦阻力；此外，如油膜干涉测量技术、液晶摩阻测量技术等，虽然可以得到局部连续摩擦力场，但碍于其繁琐复杂的校准过程，使得其无法在风洞试验中得以推广，对型号研制无法提供有效的支持。

发明内容

本发明的一个目的，是提供一种荧光油流摩擦力场测量装置，本发明的另一个目的，是提供一种荧光油流摩擦力场的测量方法。

一种荧光油流摩擦力场测量装置，包括CCD摄相机、LED光源、计算机、喷涂设备和试验用风洞。CCD摄相机和 LED光源分别装设在试验用风洞的观察窗外，且 LED光源能照射到安装在试验用风洞内的模型试验件上，CCD摄相机能对装设在试验用风洞内的模型试验件作有效摄像。LED光源通过导线与外设电源连接，CCD摄相机的信息输出端通过导线与计算机的对应接口连接。喷涂设备包括喷枪和高压气源，喷枪的介质入口通过管路与高压气源的介质出口连接，高压气源为氮气源。

一种荧光油流摩擦力场的测量方法，包括下述步骤：

1、试验前，将模型试验件安装在试验用风洞内，并用丙酮或者乙醇等清洁模型表面；

 2、安装，固定 CCD摄相机和LED光源于待测区域上方，即试验用风洞的观察窗外（对于闭口试验段，需要根据观察窗的位置调整模型姿态角和采集系统的位置）；

3、调节LED光源的照射范围和CCD摄相机的视角，使之能覆盖观察区，并调节CCD摄相机的镜头、光圈、焦距、曝光时间等参数，使得到的图像能够清晰表征观察区域；

4、利用喷涂设备的喷枪和装有氮气的高压气源，将涂料均匀喷涂在模型试验件的表面上，喷涂时打开LED光源，涂料受到 LED光源的照射，在激发状态下辐射出黄光波段的荧光，同时校正喷涂操作，完成喷涂；

5、喷涂完成后，通知已知的风洞控制系统，开始吹风试验，发射黄色荧光的涂料在风洞来流剪切作用下，在模型试验件的表面连续流动，CCD摄相机记录下荧光油膜在模型试验件表面流动过程和分布情况，并将摄取的信息送给计算机存储起来，记录流量是流量稳定时的帧数位置以及结束吹风时的帧数位置。

6、利用已知的光学流动算法对试验所得的图像进行处理，从而得到模型表面观察区域的摩擦力场分布。

荧光油流摩擦力场测量原理是：

模型表面的涂料受到LED光源的激发，示踪粒子受到来流与表面剪切力的作用在模型表面流动，高速CCD记录下这一流动过程。示踪粒子的分布和运动情况与其在模型表面受到的剪切力直接相关，通过对多帧相邻图像的光学流动算法运算，从而得到模型表面的摩擦力场分布情况。

根据动量方程和质量守恒，以及示踪粒子荧光辐射强度与油膜厚度之间的正比关系，得到摩擦力计算式。根据机器视觉领域的光学流动算法，对该摩擦力算法是进行归一化转换，然后采用中心差分格式进行误差迭代计算，最终得到表面相对摩擦力分布结果。

本发明的优点是： 

1 本套装置采用空气喷枪进行涂料分布操作，使得模型表面的涂料分布较均匀，能够在流场作用下尽快达到稳定状态；

2 使用高分辨率高速CCD实时记录涂料流动过程，实现模型表面视域内连续摩擦力场的测量；

3 非接触式摩擦力场测量手段，减少模型加工的环节和费用，大大减少测量成本，并且减少测量设备对模型表面流场的影响。

附图说明

图1是本发明的荧光油流摩擦力场测量装置示意图。

图2是在模型试验件上喷涂示意图。

具体实施方式

一种荧光油流摩擦力场测量装置，包括CCD摄相机4、LED光源5、计算机6、试验用风洞7和喷涂设备；

喷涂设备由喷枪1和高压气源2组成，高压气源为氮气源；

CCD摄相机4和 LED光源5分别装设在试验用风洞7的观察窗外，且LED光源与能照射到设置在试验用风洞7内的模型试验件3上，CCD摄相机4能有效摄取模型试验件3的图像信息；LED光源5通过导线与外设电源连接，CCD摄相机4的信息输出端通过cat6网线与计算机6的对应接口连接，喷枪1的介质入口通过管路与高压气源2的介质出口连接。