【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于流体力学测试，涉及激光测速中的粒子图像测速(particle image velocimetry,简称piv)技术，尤其是一种壁湍流流展向二维摩擦阻力时空非接触测量方法及装置。
技术介绍
1、壁湍流中的流展向摩擦阻力是指在流体流动中由于流体与壁面之间的摩擦作用而产生的黏性阻力，这种阻力在壁面二维(流向和展向)平面空间上的分布和随时间演变情况是研究壁湍流及减阻控制的重要内容之一，其对于优化各种工程系统中的流体减阻控制方法、提高流动效率有着重要作用。壁湍流摩擦阻力的时空分布和演变规律是由于湍流中的涡旋结构不断生成和消散导致的。时间平均的摩擦阻力可以通过对瞬时值进行时间平均得到；其在空间上的变化主要体现在壁面不同位置的剪应力分布，通常靠近壁面的区域摩擦阻力较大，随着离壁面距离的增加，摩擦阻力逐渐减小。同时，具有高时空分辨率的壁湍流流展向摩擦阻力的测量对于理解壁湍流高低速条带发展以及湍流相干结构内部联系至关重要，是优化流动减阻控制策略、开展流动减阻创新的理论前提和基础。
2、现有技术中，测量壁面摩擦阻力的方法主要包括：热线风速法、油膜干涉法、粒子图像测速法、srcc(spectral relaxation and conjugate correlation)算法和spec(spectral element poisson-cauchy)算法等。但这些方法均存在一些弊端：(1)热线风速法遵循牛顿内摩擦定律，通过确定壁面附近流向速度的垂直梯度来估计壁面的摩擦阻力。这一技术的实现常通过测量黏性底层区两个不同高度的速度
3、故受限测量设备的分辨率和精度、测量技术的快速捕捉能力及壁湍流流动环境的复杂多变，现有技术中并无切实有效的、能应用于实验室的壁湍流流展向的摩擦阻力测量方法及测量装置。因此，基于非接触方法测量具有高时空分辨率的、壁面二维空间的流动摩擦阻力信号，目前仍是一项未解的技术难题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于粒子图像测速(piv)技术的瞬时非接触式壁湍流流展向摩擦阻力测量方法，其可以在水槽、水洞、风洞等流场模拟装置或真实流场中通过非接触光学方法，测量流展向壁面瞬时摩擦阻力，并对其二维分布进行统计。
2、为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种壁湍流流展向二维摩擦阻力时空非接触测量方法，包括以下步骤：
3、第一步：利用粒子图像测速piv技术测得每个示踪粒子的流向速度v动流：(1)在流场中播撒示踪粒子；(2)使流场环境稳定，且使示踪粒子混合均匀；(3)生成流展向和法向激光照明，采用激光器生成激光带片光源照亮紧贴壁面且与壁面流展向平行的薄层，薄层厚度小于对应壁湍流缓冲层高度；采用激光器生成激光带片光源垂直照射壁面，照亮流法向平面；(4)采集近壁区流展向、流法向的示踪粒子图像，其中，选定采样时间、以及采集的时间序列粒子图像张数，且相邻两张图像之间的时间间隔为δt；(5)对采集到的示踪粒子图像进行图像处理，并利用pcss粒子图像跨帧跟踪算法得到近壁缓冲区以下、以线性区黏性底层为核心的薄层内每个示踪粒子的运动流向速度v动流。
4、其中，流场由水槽、水洞、风洞等流场模拟装置产生或真实流场。
5、优选的，所述激光器发射的激光带具有厚度，覆盖近壁缓冲区以下、以线性区黏性底层为核心的流场区域，照射流场为均匀激光片光，照射激光紧贴壁面。
6、优选的，所述第一步步骤(4)中示踪粒子在跨帧时间内移动的像素大小小于等于r/2。
7、优选的，所述的图像处理方法包括以下步骤：(1)对相邻帧的粒子图像进行分组：将采集到的示踪粒子图像进行逐帧分组，其中第一组图像为在t时刻记录下的示踪粒子图像，记为set1；第二组图像在t+δt时刻记录下的相邻示踪粒子图像，记为set2。(2)将set1与set2图像中的每个示踪粒子进行匹配：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pcss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：
8、令示踪粒子相邻图像中，set1中的示踪粒子i为中心，r为半径做一个查询区域i，然后在set2中选定一个候选粒子j，同样以r为半径做一个查询区域j，用sij表示这两个粒子之间的相似系数，计算表达式如公式(5)所示：
9、
10、式中，εr和εθ分别为距离偏差和角度偏差的阈值；rim和θim分别为粒子i与查询区域i内粒子的距离和连线角度；rjn和θjn分别为候选粒子中粒子j和查询区域j内粒子的距离和连线角度；m和n分别表示查询区域i和j的粒子数。
11、优选的，所述候选粒子j在set2中所在位置距离示踪粒子i所在位置之间的距离小于等于r，r的大小与流场最大粒子位移相关。
12、优选的，所述第一步步骤(4)中的时间间隔δt、公式(5)中的选取的距离偏差εr和角度偏差εθ的阈值、示踪粒子直径等参数依据实验测试需求选取。
13、公式(5)中的h(x,y)是一个阶跃函数，表达式如(6)所示：
14、
15、即对粒子i在set2中所有候选粒子j，都可以根据公式(6)计算得到一个相似系数sij，选取其中相似系数最大的候选粒子j作为i粒子的配对粒子。然后对set1中所有的粒子进行上述配对，即可完成整幅图像的粒子配对过程，进而得到示踪粒子在set1和set2间的位移，最终得到相邻时刻每个示踪粒子的运动速度v动流。
16、第二步：利用速度概率密度使粒子图像分层，得到不同速度区间的平均流向速度，再利用时空平均的流法向统计学规律曲线得到平均流向速度对应的平均法向高度，具体包括以下步骤：
17、(1)对矩形区域中粒子进行概率统本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种壁湍流流展向二维摩擦阻力时空非接触测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种壁湍流流展向二维摩擦阻力时空非接触测量方法，其特征在于：所述第一步步骤(5)中所述的图像处理方法包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种壁湍流流展向二维摩擦阻力时空非接触测量方法，其特征在于：所述候选粒子j在set2中所在位置距离示踪粒子i所在位置之间的距离小于等于R，R的大小与流场最大粒子位移相关。
4.根据权利要求1所述的一种壁湍流流展向二维摩擦阻力时空非接触测量方法，其特征在于：所述示踪粒子与流场中流动介质密度一致，且示踪粒子直径在统计上为3-6像素。
5.根据权利要求1所述的一种壁湍流流展向二维摩擦阻力时空非接触测量方法，其特征在于：所述激光器发射的激光带具有厚度，覆盖近壁缓冲区以下、以线性区黏性底层为核心的流场区域，照射流场为均匀激光片光，照射激光紧贴壁面。
6.根据权利要求1所述的一种壁湍流流展向二维摩擦阻力时空非接触测量方法，其特征在于：所述第一步步骤(4)中示踪粒子在跨帧时间内移动的像素大小小于
7.根据权利要求1所述的一种壁湍流流展向二维摩擦阻力时空非接触测量方法，其特征在于：所述第一步步骤(4)中的时间间隔Δt、公式(5)中的选取的距离偏差εr和角度偏差εθ的阈值、示踪粒子直径等参数依据实验测试需求选取。
8.利用上述任一权利要求所述的方法的壁湍流流展向二维摩擦阻力时空非接触测量方法的壁湍流流展向二维摩擦阻力时空非接触测量装置，其特征在于：包括流场、激光器、图像记录仪器、同步控制器与计算机，所述流场提供实验环境，在流场内播撒若干示踪粒子；
9.根据权利要求8所述的一种壁湍流流展向二维摩擦阻力时空非接触测量装置，其特征在于：在流展向和流法向的激光器的前端安装有片光系统，使激光器发射的激光束扩散成均匀片光，所述流法向的激光器片光与流场的速度方向垂直且平行于边界层板需要进行摩擦阻力测量的缓冲层与黏性底层交界表面；所述流展向的激光器发射的片光与流场速度方向平行且垂直于边界层板。
10.根据权利要求8所述的一种壁湍流流展向二维摩擦阻力时空非接触测量装置，其特征在于：所述图像记录仪器为高速相机，所述高速相机的光轴与激光器提供的均匀片光平面相垂直。
...【技术特征摘要】
1.一种壁湍流流展向二维摩擦阻力时空非接触测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种壁湍流流展向二维摩擦阻力时空非接触测量方法，其特征在于：所述第一步步骤(5)中所述的图像处理方法包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种壁湍流流展向二维摩擦阻力时空非接触测量方法，其特征在于：所述候选粒子j在set2中所在位置距离示踪粒子i所在位置之间的距离小于等于r，r的大小与流场最大粒子位移相关。
4.根据权利要求1所述的一种壁湍流流展向二维摩擦阻力时空非接触测量方法，其特征在于：所述示踪粒子与流场中流动介质密度一致，且示踪粒子直径在统计上为3-6像素。
5.根据权利要求1所述的一种壁湍流流展向二维摩擦阻力时空非接触测量方法，其特征在于：所述激光器发射的激光带具有厚度，覆盖近壁缓冲区以下、以线性区黏性底层为核心的流场区域，照射流场为均匀激光片光，照射激光紧贴壁面。
6.根据权利要求1所述的一种壁湍流流展向二维摩擦阻力时空非接触测量方法，其特征在于：所述第一步步骤(4)中示踪粒子在跨帧时间内移动的像素大小小于等于r/2。<...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈纪仲，田海平，马国祯，丁俊飞，陈声坤，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：
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