一种湍流场中壁面摩阻时空信号的测量方法

1.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：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.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。
6.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。
7.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。
8.步骤s2具体为：选取0《《5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。
9.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。
10.s32中，足够的粒子灰度信息为4-5个粒子。
11.s33中，当所需的流场信息侧重时间分辨率时，采用扩大查询窗口的空间尺寸，选择流向尺寸远大于法向尺寸的查询窗口；以此达到满足高时间分辨率下查询区域粒子信息充足的技术效果；当所需的流场信息侧重空间分辨率时，采用增加图像序列，查询窗口设为图像序列中每一副图像中的相同位置，以此达到高空间分辨率下的粒子信息充足的技术效果。同时二者可以结合使用，可以达到较高空间分辨率与时间分辨率兼得的粒子信息。
12.步骤s4具体为：根据确定的时空尺度的查询窗口与查询区域，计算间隔粒子图像在流向方向以及法向方向下的图像相关值；根据粒子图像相关值的最大值所在的像素位置，，求出近壁区每个查询窗口后运动的位移；按照像素与实际物理空间的匹配关系得到实际位移；根据计算每个查询窗口的速度。
13.计算图像相关值的过程为：其中即图像相关值，表示归一化互相关系数，范围为，互相关系数表示图像匹配时图像序列之间的相似程度，当两图像完全相同时，相关系数取值为1，两图像之间灰度分布完全相反时，相关系数取值为-1，与分别表示查询窗口所在的像素位置与经历的后可能运动与后的位置，表示粒子图像流向位移距离，表示粒子图像法向位移距离。
14.步骤s5具体为：计算出近壁区流场中不同时空分辨率查询窗口下的速度，将相同流向位置的查询窗口的速度按照距离壁面法向距离排列在一起；
剔除坏点；已知相同流向位置处有n个速度点,
…
,其中n是指法向空间上查询窗口的数量，u表示流向速度，y表示法向距离，对这n个数据点进行曲线拟合；假定函数方程形式为：，和为未知，把代入方程，得到：，然后变形：，同理，可以得到,组成的矩阵形式为：，设为a，为t，为k，则则则则将速度拟合成一条斜线，计算出该条斜线的斜率k，来代替速度梯度。
15.步骤s6具体为：在0《《5近壁区域，壁面摩擦阻力，通过计算出来的速度梯度即可求出时空分辨率下壁面摩擦阻力；其中代表壁面摩擦阻力，代表速度梯度，代表流体介质的动力摩擦系数。
16.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：（1）针对流动壁面摩阻的测量，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；（2）本发明基于流场近壁决定壁面摩阻的高质量粒子图像时序数据，得到流动摩阻时空变化信号，属于非接触式、无损测量，对流场无干扰，原理明确，数据可靠；（3）本发明所述测量方法，摩阻信号的时间和空间分辨率都具有可调性，可以根据客户实际需求，灵活调节时空尺度，以达到要求。
附图说明
17.图1为本发明实施例所述的一种湍流场中壁面摩阻时空信号的测量方法流程示意图；图2为实施例所述piv实验图像获取示意图；图3为本发明实施例提供的一种二维粒子图像的效果示意图以及局部的放大示意图；图4为时空分辨率确定算法流程图；图5为时空尺度示意图；图6为近壁区的速度拟合曲线示意图；图7为壁面摩擦阻力变化示意图；
图8为两定点壁面摩擦阻力信号相关性示意图。
具体实施方式
18.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，所描述地实施例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。
19.本实施例提供一种湍流场中壁面摩阻时空信号的测量方法，如图1所示，包括：s1：采集时间序列粒子图像。
20.示例性的，采集时间序列粒子图像过程为：如图2所示，用信号同步器4，负责同步控制激光器1和高速相机2，计算机3装有高速图像采集卡，用于连接相机存储数据图像，二者通过粒子图像测速仪（piv）来完成。
21.高速相机2拍摄位于平板以下流场区域，计算机3利用piv系统将控制信号通过信号同步器4将信号同步给激光器1与高速相机2的曝光，高速相机2在得到曝光数据采集后，将粒子图像传回到计算机3内并存储。
22.其中粒子图像中的粒子浓度要尽可能的多，便于后续的计算和结果的准确性。
23.s2：从时间序列粒子图像中提取近壁区域粒子图像。
24.示例性的，从时间序列粒子图像中提取近壁区域粒子图像过程为：在本实施例中，提取粒子图像中符合近壁区域的图像，如图3所示。横轴标识粒子图像中的横向位置，纵轴标识粒子图像中的纵向位置。在图3中，顶部白色线条y
+
=0为平板区域，白色线条以下为粒子分布区域，白色虚线为y
+
=5位置，平板区域到白色虚线之间即位近壁流场粒子区域。
25.在经典的壁湍流分层模型中，基于湍流在流场区域的分层结构，依据距离壁面的法向高度的不同可以将湍流边界层分为，粘性底层、缓冲层、对数律层以及尾迹层，内尺度无量纲化的壁面法向高度以及流向速度通常表示和，一般粘性底层大约为0《《5，这里主要选取粘性底层视场作为流场的近壁区域，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，在此基础上利用编程软件进一步的筛选和提取要求的图像。
26.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，u表示流向速度。
27.s3：确定具有时空分辨率查询窗口。
28.示例性的，如图4，5所示，时空分辨率的确定过程为：粒子图像测速是一种采用光学、非接触式、全局定量的智能检测手段。保证摩擦阻力时空信号的准确获取，在满足灰度信息足够的情况下，尽可能使空间与时间分辨率大。设置具有时空分辨率的查询窗口与查询区域，查询窗口尺寸为x pixel
ꢀ×ꢀ
y pixel
ꢀ×ꢀ
n(t)其中，x pixel 表示流向方向像素，y pixel表示法向方向像素，n(t)表示粒子图像序列。
29.判定实验拍摄图像灰度信息，以含有大约4-5个粒子为宜，若未达到要求，即确定
时空分辨率，方法包括：（1）扩大查询窗口x pixel
ꢀ×ꢀ
y pixel，牺牲时间分辨率；（2）增加时间序列n(t)，牺牲时间分辨率。
30.在测量近壁区域时，因为区域中含有较大的速度梯度，通常在扩大查询窗口空间尺度时，选择流向尺寸远大于法向尺寸的查询窗口，同时在增加时间尺度n(t)时，将查询窗口设为图像序列中每一副图像中的相同位置x pixel
ꢀ×ꢀ
y pixel。如图5所示，在第1、3、5
……
粒子图像中的相同位置选择x pixel
ꢀ×ꢀ
y pixel的查询窗口，查询区域则在第2、4、6
……
粒子图像中的相同位置查询互相关。
31.s4：利用时空分辨率查询窗口求取每个近壁区测量点的速度。
32.示例性的，根据确定的时空尺度的查询窗口与查询区域，利用互相关算法计算间隔粒子图像在粒子流向位移以及粒子法向位移下的图像相关值：其中即图像相关值，表示归一化互相关系数，范围为，互相关系数表示图像匹配时图像序列之间的相似程度，当两图像完全相同时，相关系数取值为1，两图像之间灰度分布完全相反时，相关系数取值为-1，与分别表示查询窗口所在的像素位置与经历的后可能运动与后的位置，表示粒子图像流向位移距离，表示粒子图像法向位移距离。，表示查询窗口中粒子图像的平均灰度矩阵，，分别表示每张图像灰度矩阵的标准差；根据粒子图像相关值的最大值所在的像素位置，求出近壁区每个查询窗口后运动的物理空间实际位移s，再利用，求得每个查询窗口的速度。
33.s5：具有时空分辨率的近壁区速度分布的拟合。
34.示例性的，具有时空分辨率的近壁区速度分布的拟合过程为：计算出近壁区流场中不同时空分辨率查询窗口下的速度，将相同流向位置的查询窗口的速度按照距离壁面法向距离排列在一起，根据3σ准则剔除坏点，按照最小二乘法，已知相同流向位置处有20个速度点,
…
,其中20是指法向空间上查询窗口的数量，u表示流向速度，y表示法向距离，需要对这20个数据点进行曲线拟合，通过观察发现，它近似于一次函数，假定函数方程形式为：，与为未知的，如果把代入方程，得到：，然后变形：，同理，i=1，2
…
10，可以得到,所以可以组合成矩阵的形式：，假设为a,为t，为k
将速度拟合成一条斜线，计算出该条斜线的斜率k，来代替速度梯度；其中代表速度梯度。
35.图6为本技术实施例的近壁区速度分布拟合过程的示意图。图6中，纵轴方向表示距离壁面的法向距离，横轴表示流向速度，黑点表示通过本实施例测量方法得到的数据点，黑线u=ky表示拟合的直线。由图6可见，黑点与黑线之间由较好的拟合性与一致性。
36.s6：利用速度分布拟合得到时空下壁面摩阻信号。
37.示例性的：时空下壁面摩阻信号的获得的过程为：如图7所示，壁面摩擦力变化示意图。横轴方向表示流向方向，表示流向距离的无量纲化，x表示流向距离，表示边界层厚度，纵轴方向表示壁面摩擦阻力比值，表示壁面摩阻的无量纲化，表示减去平均摩阻后的信号，表示平均摩阻的信号。
38.湍流场中在0《《5近壁区域，速度梯度满足线性率。根据newton内摩擦定律，壁面摩擦阻力为，通过计算出来的速度梯度即可求出时空分辨率下壁面摩擦阻力。
39.其中代表壁面摩擦阻力，代表速度梯度，代表动力摩擦系数。
40.图8为本技术实施例的两点近壁面摩擦阻力相关性信号验证示意图。图8中，纵轴方向表示相关性系数大小，横轴表示信号之间延迟时间。由图8可见，两点近壁面摩擦阻力信号延迟为t=0.25s，本实施例中选取的两点信号距离s=0.021m,计算得到两信号迁移速度，算得=0.084m/s，本实施例中，选用的自由来流速度=0.158m/s,解得=0.53属于0.5-0.6之间（壁湍流近壁区域主要流动结构的迁移速度），表明本实施例中信号迁移速度符合与近壁主要流动结构迁移速度相符，证实了数据的可靠性。
41.示例性的，该方法也可用于层流场摩阻时空信号的测量，与之不同的是近壁区域的定义上，层流场中粒子图像的近壁区域应为速度梯度为线性的区域。
42.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种湍流场中壁面摩阻时空信号的测量方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的湍流场中壁面摩阻时空信号的测量方法，其特征在于，所述步骤s1具体为：用信号同步器（4）同步控制激光器（1）和高速相机（2）；计算机（3）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（2）拍摄位于平板以下流场区域，计算机（3）利用粒子图像测速仪将控制信号通过信号同步器（4）将信号同步给激光器（1）与高速相机（2）的曝光，高速相机（2）在得到曝光数据采集后，将粒子图像传回到计算机（3）内并存储。3.根据权利要求1所述的湍流场中壁面摩阻时空信号的测量方法，其特征在于，所述步骤s2具体为：选取0<<5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。4.根据权利要求1所述的湍流场中壁面摩阻时空信号的测量方法，其特征在于，所述步骤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。5.根据权利要求4所述的湍流场中壁面摩阻时空信号的测量方法，其特征在于，所述s32中，足够的粒子灰度信息为4-5个粒子。6.根据权利要求4所述的湍流场中壁面摩阻时空信号的测量方法，其特征在于，所述s33中，当所需的流场信息侧重时间分辨率时，采用扩大查询窗口的空间尺寸，选择流向尺寸远大于法向尺寸的查询窗口；以此达到满足高时间分辨率下查询区域粒子信息充足的技术效果；
当所需的流场信息侧重空间分辨率时，采用增加图像序列，查询窗口设为图像序列中每一副图像中的相同位置，以此达到高空间分辨率下的粒子信息充足的技术效果。7.根据权利要求1所述的湍流场中壁面摩阻时空信号的测量方法，其特征在于，所述步骤s4具体为：根据确定的时空尺度的查询窗口与查询区域，计算间隔粒子图像在流向方向以及法向方向下的图像相关值；根据粒子图像相关值的最大值所在的像素位置，，求出近壁区每个查询窗口后运动的位移；按照像素与实际物理空间的匹配关系得到实际位移；根据计算每个查询窗口的速度。8.根据权利要求7所述的湍流场中壁面摩阻时空信号的测量方法，其特征在于，计算图像相关值的过程为：其中即图像相关值，表示归一化互相关系数，范围为，互相关系数表示图像匹配时图像序列之间的相似程度，当两图像完全相同时，相关系数取值为1，两图像之间灰度分布完全相反时，相关系数取值为-1，与分别表示查询窗口所在的像素位置与经历的后可能运动与后的位置，表示粒子图像流向位移距离，表示粒子图像法向位移距离。9.根据权利要求1所述的湍流场中壁面摩阻时空信号的测量方法，其特征在于，所述步骤s5具体为：计算出近壁区流场中不同时空分辨率查询窗口下的速度，将相同流向位置的查询窗口的速度按照距离壁面法向距离排列在一起；剔除坏点；已知相同流向位置处有n个速度点,
…
,其中n是指法向空间上查询窗口的数量，u表示流向速度，y表示法向距离，对这n个数据点进行曲线拟合；假定函数方程形式为：，和为未知，把代入方程，得到：，然后变形：，同理，可以得到,组成的矩阵形式为：，设为a，为t，为k，则则则
将速度拟合成一条斜线，计算出该条斜线的斜率k，来代替速度梯度。10.根据权利要求1所述的湍流场中壁面摩阻时空信号的测量方法，其特征在于，所述步骤s6具体为：在0<<5近壁区域，壁面摩擦阻力，通过计算出来的速度梯度即可求出时空分辨率下壁面摩擦阻力；其中代表壁面摩擦阻力，代表速度梯度，代表流体介质的动力摩擦系数。

技术总结
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。在空间和时间上都具有分辨率。在空间和时间上都具有分辨率。


技术研发人员：田海平 吴雪筝 陈纪仲 王牧笛 丁俊飞 武仪
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：2023.05.05
技术公布日：2023/8/1