一种自然风洞中非介入式大尺度流动特征测量方法及其测量系统

技术领域

本发明属于测量领域，具体涉及一种自然风洞中非介入式大尺度流动特征测量方法及其测量系统。

背景技术

随着我国在先进交通装备设计制造领域的快速发展，大尺度及全尺寸流场测量技术对于掌握大型装备，如风力发电机、高铁和飞机等，在实际运行工况下气动特性规律具有重要意义。此外，大尺度流场测量技术还可以向建筑测量扩展，如桥梁和高层建筑物，研究近地面大气环境和建筑物的耦合作用、验证数值计算模型和提高建筑气动布置性能。

风洞是一种用于模拟大气环境中风的工具，主要用途是进行空气动力学研究。大尺寸风洞由于试验段足够宽敞，大尺寸模型所受的洞壁干扰很小甚至可以忽略，可以提高被测参数的精度，其试验效果和综合效益都远大于中小尺寸风洞，因此建设大尺寸风洞具有重要意义。然而，大尺寸风洞需要高昂的建设及运行成本，本发明提出一种利用自然风洞，如河道和机场等受植被影响小，易获得可用品质风场的地点，应用于汽车、高铁、直升机、无人机和大型飞机的流动测测量，则可以有效的降低建造和运行成本。

传统的流场测量技术主要可以分为介入式和非介入式两种。介入式流场测量是通过在流体中插入传感器或探针来测量流场，常用的方法有热线测量法、静压探针测量法等，具有高精度、高灵敏度、高时间和空间分辨率等优点，但是由于传感器的插入，可能会对流场本身产生一定的干扰。非介入式流场测量则是指在不干扰流场的情况下，通过观察流体运动时产生的物理量变化，来获得流场信息的一种方法。常见的非介入式流场测量方法有粒子图像测速法、激光多普勒测速法等，通过在流场中散播随流性与可见性好的示踪粒子使流场具有可见性，具有不影响流体运动、可测量复杂流场、测量精度高等优点。

然而，目前的非介入式流动测量方法受到风洞尺寸和示踪粒子散播范围的限制，几乎都是在实验室内开展的实验室尺度的测量，在更大尺度的二维及以上的流场测量中，还未见有效测量方法。

发明内容

本发明针对上述传统小风洞尺寸限制，大尺寸风洞制造、运行成本高昂和传统非介入式测量示踪粒子播撒范围等限制，提出一种自然风洞中非介入式大尺度流动特征测量方法和测量系统，为大尺寸或全尺寸模型的流动性能测量提供技术支持。

本发明通过以下技术方案实现：

一种自然风洞中非介入式大尺度流动特征测量系统，所述测量系统包括自然风洞、示踪粒子、光幕组、测量设备、定位设备和微型气象站；

所述自然风洞，选择具有稳定风源的开阔场地，实现可用品质风场；

所述示踪粒子，用于流场成像可视化；

所述光幕组，由多个相同的片光装置1组成，所述片光装置1内的高亮度防水光源2直接照射在光学组件3形成片状光幕4；

所述测量设备，用于对流场信息进行采集；

所述定位设备，依据北斗和激光辅助定位组件对测量设备进行初步定位，并利用测距和准直工具进一步移动测量设备到精确定位位置；

所述微型气象站，用于对风向、风速、温度、大气压强气象要素进行现场的精确测量。

进一步的，所述片光装置1可多个组合作为光幕组使用，或单独一个搭载在可移动载具上使用；所述光学组件3可更换为透镜组。

进一步的，所述片光装置1通过调整光学组件3的方向，实现片状光幕4的任意方向投射。

进一步的，所述测量设备静止架设于地面对被测目标进行拍摄，或置于运动导轨或载具对运动的目标进行跟随拍摄。

一种自然风洞中非介入式大尺度流动特征测量方法，所述一测量方法使用如上述自然风洞中非介入式大尺度流动特征测量系统，所述测量方法包括以下步骤：

步骤1：选取自然风洞，所述自然风洞为根据当地的地理条件来选择结冰的开阔河面和湖面上开展流场测量；

步骤2：布置光幕组，将多个片光装置1保持在同一直线安装在冰层内部，调整光学组件3的方向，实现光幕组的竖直投射；或在冰面上，布置片光装置1保持在同一直线上，调整光学组件3的方向，实现光幕组的水平投射；或将片光装置1配合导轨或载具，随着被测目标一起移动进行示踪；

步骤3：安装微型气象站，在自然风洞的多光幕组两端安装微型气象站，记录流场测量时的实时风向、风速等气候数据；

步骤4：根据天气条件选择示踪粒子，所述示踪粒子为雪花颗粒；

步骤5：利用测量设备定位，开启北斗和激光辅助定位组件对测量设备进行初步定位，并利用测距和准直工具进一步移动其到精确定位位置；

步骤6：基于步骤1-5的布置与安装后，进行流场信息的采集，在暗场条件下，开启光幕组形成片光，使用与光幕亮度及示踪粒子相匹配的测量设备参数进行流场信息的采集；

步骤7：基于步骤6采集的流场信息，进行流场特征的重构，将采集的流场信息进行图像处理，由相应的重构算法计算处理得到重构的流场矢量数据。

进一步的，所述自然风洞，还可以选取开阔平地、机场跑道，或针对具体的待测目标周围流场进行测量。

进一步的，在有降雪时采用天然的雪花颗粒作为示踪粒子；无降雪时采用造雪机来生产并播撒雪花颗粒；或直接利用自然风沙、扬尘、雾霾、风媒介植物种子等颗粒及其展示的流动图案、结构进行示踪。

进一步的，所述测量设备，可利用高速相机以增加对示踪粒子图像的采集频率。采集图像的分辨率至少在1080p及以上，感光度ISO在10000以下，以免引入更多噪点，采集频率与流场实测流速相匹配，以还原流场真实流动情况。

进一步的，所述步骤7图像处理具体为，使用视角校正、图像增强方法对示踪粒子图像进行处理；然后利用包含但不限于互相关算法、光流算法、粒子追踪方法等算法计算获得流场矢量数据。

本发明的有益效果是：

本发明使用自然风洞进行大尺寸及全尺寸模型的气动流场测量，测量尺度大，低成本，真实还原车辆、飞机等在自然环境中气动性能。示踪粒子不但随流性和反光性良好，可有效捕捉大尺度范围内的较小流场结构，而且具有环保、无污染的特点。本发明突破了传统非介入式流场测量技术的测量范围限制，可以实现亚百米范围内大尺度流场的精确测量。

附图说明

图1是本发明的片光装置示意图。

图2是本发明装置的垂直投射测量方式示意图。

图3是本发明装置的水平投射测量方式示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种自然风洞中非介入式大尺度流动特征测量系统，所述测量系统包括自然风洞、示踪粒子、光幕组、测量设备、定位设备和微型气象站；

所述自然风洞，选择具有稳定风源的开阔场地，实现可用品质风场；

所述示踪粒子，具有良好的随流性和可见性，用于流场成像可视化；

所述光幕组，由多个相同的片光装置1组成，所述片光装置1内的高亮度防水光源2直接照射在光学组件3进行反射形成片状光幕4；

片光装置1也可单独使用，并搭载在其他可移动载具上无人机或运载车。

所述测量设备，用于对流场信息进行采集，采用高分辨率高帧率的成像设备可使用但不局限于CMOS、CCD等成像设备，需满足分辨率在1080P及以上，也可配合无人机搭载上述要求成像设备进行拍摄；

所述定位设备，依据北斗和激光辅助定位组件对测量设备进行初步定位，并利用测距和准直工具进一步移动测量设备到精确定位位置；

所述微型气象站，用于对风向、风速、温度、大气压强等气象要素进行全天候现场精确测量。

进一步的，所述片光装置1可多个组合作为光幕组使用，或单独一个搭载在其他可移动载具上使用；所述其他可移动载具具体为无人机或运载车；所述片光光幕4的厚度有严格需求时，可将光学组件3可更换为透镜组进行厚度控制。

进一步的，所述片光装置1通过调整光学组件3的方向，实现片状光幕4的任意方向投射。

进一步的，所述测量设备静止架设于地面对被测目标进行拍摄，或置于运动导轨或载具对运动的目标进行跟随拍摄。

进一步的，所述微型气象站对风向、风速、温度、大气压强等气象要素在需要时进行实时测量。

由上可见，本发明实施例通过使用自然风洞进行气动流场测量，为大尺寸或全尺寸模型的流动性能测量提供技术支持。实验结果表明，本发明使用自然风洞进行大尺寸及全尺寸模型的气动流场测量，测量尺度大，低成本，真实还原车辆、飞机等在自然环境中气动性能。示踪粒子不但随流性和反光性良好，可有效捕捉大尺度范围内的较小流场结构，而且具有环保、无污染的特点。本发明突破了传统非介入式流场测量技术的测量范围限制，可以实现自然条件下亚百米范围内大尺度流场的精确测量。

一种自然风洞中非介入式大尺度流动特征测量方法，所述一测量方法使用如权利要求1所述自然风洞中非介入式大尺度流动特征测量系统，所述测量方法包括以下步骤：

步骤1：选取自然风洞，所述自然风洞为根据当地的地理条件来选择结冰的开阔河面和湖面上开展流场测量；

步骤2：布置光幕组，将多个片光装置1保持在同一直线安装在冰层内部，调整光学组件3的方向，实现光幕组的竖直投射；或在冰面上，布置片光装置1保持在同一直线上，调整光学组件3的方向，实现光幕组的水平投射；或将片光装置1配合导轨或载具，随着被测目标一起移动进行示踪；

步骤3：安装微型气象站，在自然风洞的多光幕组两端安装微型气象站，记录流场测量时的实时风向、风速等气候数据；

步骤4：根据天气条件选择示踪粒子，所述示踪粒子为雪花颗粒；

步骤5：利用测量设备定位，开启北斗和激光辅助定位组件对测量设备进行初步定位，并利用测距和准直工具进一步移动其到精确定位位置；

步骤6：基于步骤1-5的布置与安装后，进行流场信息的采集，在暗场条件下，开启光幕组形成片光，使用与光幕亮度及示踪粒子相匹配的测量设备参数进行流场信息的采集；测量设备可静止架设于冰面测量静止或运动的目标，也可安装在同步导轨、运载车或无人机上持续测量运动的目标；所述流场信息采集，可以借助无人机辅助完成高空中的图像采集；

步骤7：基于步骤6采集的流场信息，进行流场特征的重构，将采集的流场信息进行图像处理，由相应的重构算法计算处理得到重构的流场矢量数据。

进一步的，所述自然风洞，还可以选取开阔平地、机场跑道，或针对具体的待测目标周围流场进行测量，如果建筑、桥梁等。

进一步的，在有降雪时采用天然的雪花颗粒作为示踪粒子；无降雪时采用造雪机来生产并播撒雪花颗粒；或直接利用自然风沙、扬尘、雾霾、风媒介植物种子等颗粒及其展示的流动图案、结构进行示踪。

进一步的，所述测量设备，可利用高速相机以增加对示踪粒子图像的采集频率。采集图像的分辨率至少在1080p及以上，感光度ISO在10000以下，以免引入更多噪点，采集频率与流场实测流速相匹配，以还原流场真实流动情况。

进一步的，所述步骤7图像处理具体为，使用视角校正、图像增强方法对示踪粒子图像进行处理；然后利用包含但不限于互相关算法、光流算法、粒子追踪方法等算法计算获得流场矢量数据。

由上可见，本发明实施例通过使用自然风洞进行气动流场测量，为大尺寸或全尺寸模型的流动性能测量提供技术支持。实验结果表明，本发明使用自然风洞进行大尺寸及全尺寸模型的气动流场测量，测量尺度大，低成本，真实还原车辆、飞机等在自然环境中气动性能。示踪粒子不但随流性和反光性良好，可有效捕捉大尺度范围内的较小流场结构，而且具有环保、无污染的特点。本发明突破了传统非介入式流场测量技术的测量范围限制，可以实现自然条件下亚百米范围内大尺度流场的精确测量。

以测量车辆流场为例，本发明的具体实施方案如下：

①选择结冰的开阔河道作为自然风洞，在河面尚未结冰时安装竖直投射的光幕组在同一直线上保证片光位于同一直线。

②待河面结冰冻结时，安装微型气象站，记录实时的风向、风速等气候信息。

③安装水平竖直投射的光幕组在同一直线上保证片光位于同一直线。

④在风向和风速稳定的降雪天气利用雪花作为示踪粒子。

⑤通过定位设备对测量设备进行定位，并安放在运载车上，使测量设备与可以与光幕组产生的片光相互垂直。

⑥在夜间，使用与光幕亮度及示踪粒子相匹配的测量设备参数进行流场信息对运动的车辆进行随车拍摄。

⑦将采集的流场信息进行图像处理，由相应的重构算法计算处理得到重构的流场矢量数据。