专利名称：用于确定作用在物体上的力的方法和系统的制作方法
用于确定作用在物体上的力的方法和系统
背景技术：
为了研究对象的空气动力学和空气声学特性，将所述对象或要研究的对象的实际 比例三维模型置于风洞或流道(flow tunnel)中。例如，将飞机或其他交通工具的模型布 置在流道中暴露给流体流，例如空气流。除了研究交通工具的模型以外，流道还可以用于研 究建筑物。在这方面，将建筑物(例如多层建筑物或桥梁)的三维模型布置在风洞中并暴 露给空气流。由于流道的直径有限，很少在流道中以实际尺寸来研究对象。为此，实际比例的三 维模型通常由大的对象制成并且被布置在流道中，以研究对象的流行为。对于物体，特别是飞机，重要的是当研究物体的空气动力学行为时，检测作用在物 体上的力，以便能够验证物体的特性或者能够改进物体的组件或改进物体的结构。在传统测量系统中，例如通过所谓的风洞天平来静态地测量作用在物体上的力。 在这种类型的测量系统中，通过风洞天平来直接测量力，通过风洞天平来测量作用在物体 上的力的平均值。用于确定作用在物体上的力的这些传统系统具有许多缺点。一方面，风洞天平仅 测量作用在物体上的力的平均值，而不测量任何时间特性，即，仅进行静态力测量，而不进 行动态力测量。此外，用于使用风洞天平来确定力的传统系统不适合物体的一些组件或部 件。为了测量作用在飞机的旋转物体上的力，例如，作用在飞机螺旋桨上的力，必须将风洞 天平安装到旋转组件或旋转部件。这只能以相当大的技术复杂度为代价来实现。此外，在 旋转期间产生的离心力会导致测量结果错误。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种方法和设备，该方法和设备以相对低的技术复杂 度精确地检测作用在任何期望物体上的力。根据本发明，利用一种具有如权利要求1所述的特征的方法实现了该目的。本发 明提供了一种确定作用在物体上的力的方法，该方法具有以下步骤(a)将物体布置在流道内部预定的封闭受控容积中；(b)针对限定封闭受控容积的每个表面检测压力分布和速度场；(c)根据针对封闭受控容积的限定表面检测到的压力分布和速度场，来计算作用 在物体上的力。在根据本发明的方法的实施例中，针对受控容积的限定表面，光学地检测速度场。光学地检测速度场提供的优点是，在测量期间，作用在物体上的力不受测量的影 响。另一优点是，可以灵活的方式容易地适配受控容积的几何结构和尺寸，以适合要 研究的物体的空间尺寸。在根据本发明的方法的实施例中，物体在流道中暴露给包含分散微粒的流体的流。
在根据本发明的方法的实施例中，利用激光，针对受控容积的限定表面检测相应 的激光交叉，以检测相应限定表面上分散微粒的微粒分布。在根据本发明的方法的实施例中，激光是由脉冲激光器产生的。在根据本发明的方法的实施例中，由至少两个摄像机来记录分散微粒的微粒分布。在根据本发明的方法的实施例中，将由摄像机记录的微粒分布作为图像临时存储 在存储器中。在根据本发明的方法的实施例中，受控容积的限定表面的压力分布是由可以在一 个或多个限定表面上自由移动的至少一个压力传感器来检测的。在根据本发明的方法的实施例中，通过将检测到的微粒分布进行互相关，来计算 局部微粒位移矢量。在根据本发明的方法的实施例中，基于微粒位移矢量来计算速度场的速度矢量。在根据本发明的方法的实施例中，作用在物体上的力F或力分布是如下计算的
权利要求
1.一种确定作用在物体( 上的力的方法，包括以下步骤(a)将物体( 布置在流道内部预定的封闭受控容积C3)中，所述封闭受控容积(3)具 有多个限定表面；(b)针对限定了封闭受控容积(3)的每个表面，同时检测压力分布和速度场；(c)根据针对封闭受控容积(3)的限定表面同时检测到的压力分布和速度场，来计算 作用在物体⑵上的力(F)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，针对封闭受控容积(3)的限定表面，光学地检测 速度场。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，物体( 在流道中暴露给包含分散微粒的流 体的流。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，利用由脉冲激光器(5)产生的激光，针对限定表 面检测相应的激光交叉，以检测相应限定表面中分散微粒的微粒分布。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，将由摄像机(6A，6B)记录的分散微粒的微粒分布 作为图像临时存储在存储器(7)中。
6.根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的方法，其中，封闭受控容积C3)的限定 表面的压力分布是由能够在一个或多个限定表面上移动的至少一个压力传感器(11)来检 测的。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，通过将检测到的微粒分布互相关，来计算局部微 粒位移矢量。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，基于微粒位移矢量来计算速度场的速度矢量。
9.根据权利要求1至8中任一项权利要求所述的方法，其中，作用在物体(2)上的力 (F)是如下计算的F^§(pV-dS)/+§pdSS ‘S其中V是速度矢量，S是封闭受控容积的限定表面， P是检测到的压力，以及 ρ是流动流体的密度。
10.根据权利要求1至9中任一项权利要求所述的方法，其中，封闭受控容积(3)由具 有六个限定表面的立方体或长方体构成，或者由具有四个限定表面的四面体构成。
11.根据权利要求1至10中任一项权利要求所述的方法，其中，根据当前压力分布和速 度场来动态地确定作用在物体( 上的力(F)的时间特性。
12.一种用于确定作用在物体上的力的系统，包括(a)封闭受控容积(3)，被提供在流道内部，在所述封闭受控容积(3)中布置有物体⑵；(b)第一测量装置(11)，用于针对限定了封闭受控容积(3)的每个表面检测压力分布；(c)第二测量装置(5，6A，6B)，用于针对封闭受控容积(3)的每个限定表面检测速度场；其中第一测量装置和第二测量装置同时检测封闭受控容积(3)的每个限定表面的压力 分布和速度场；以及(d)计算单元(10)，用于根据同时检测到的受控容积(3)的限定表面的压力分布和速 度场来计算作用在物体(2)上的力(F)。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，第一测量装置(11)包括能够在封闭受控容积 (3)的一个或多个限定表面上移动的至少一个压力传感器。
14.根据权利要求12所述的系统，其中，第二测量装置(5，6A，6B)针对封闭受控容积 (3)的每个限定表面产生激光交叉，以检测限定表面上的分散微粒的微粒分布。
15.根据权利要求12所述的系统，其中，物体(2)是3D模型，所述3D模型的体积小于 封闭受控容积⑶。
全文摘要
本发明提供了一种使用受控容积(3)来确定作用在物体(2)上的力的系统和方法，所述受控容积(3)提供在流道内并且其中布置有物体(2)。第一测量装置(11)用于针对限定封闭受控容积(3)的每个表面检测压力分布。第二测量装置(5，6A，6B)用于针对封闭受控容积(3)的每个限定表面检测速度场。此外，计算单元(10)用于根据针对受控容积(3)的限定表面检测到的压力分布和速度场来计算作用在物体(2)上的力(F)。
文档编号G01M9/06GK102066890SQ200980122676
公开日2011年5月18日 申请日期2009年6月16日 优先权日2008年6月16日
发明者克劳斯-彼得·内茨柯, 埃里克·威勒马斯·玛丽亚·罗森布姆, 安德里斯·施罗德尔, 温弗里德·库恩 申请人:空中客车运营有限公司