一种流场边界层剪切应力光学测量方法与流程

本发明涉及一种风洞试验技术领域，特别是一种流场边界层剪切应力光学测量方法。

背景技术：

流场与物体相对运动产生边界层内的剪切应力，是飞行器研制过程中重要气动参数之一，其对气动力/热性能有很大影响，是流体力学中的基础工作。然而，由于有边界层转捩等复杂流动现象的存在，剪切应力的预测对于数值模拟来说存在一定困难。而由于其绝对量值较小，对于风洞试验测量来说也是一个挑战。

在表面剪切应力测量技术研究主要集中三个领域：摩阻天平技术和油膜技术。摩阻天平技术是利用应变电测技术直接测量作用在天平感应面上的剪切应力，可以直接得到剪切应力绝对值，但由于缝隙效应和温度效应等因素，其测量灵敏度和精度有限；油膜技术是通过检测薄油膜厚度的变化来确定剪切应力大小，其测量理论依据、数学推导过程较为复杂，且受温度影响严重。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种流场边界层剪切应力光学测量方法，该方法获得的图像清晰直观，测量精度和灵敏度高，可用于风洞流场显示、转捩诊断和模型表面摩阻定量测量。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种流场边界层剪切应力光学测量方法，包括如下步骤：

步骤(一)、对风洞试验模型依次进行阳极化处理和发黑处理；

步骤(二)、将液晶和丙酮的混合溶液喷涂于风洞试验模型表面，形成液晶涂层，并保持涂层厚度均匀；

步骤(三)、应用喷流装置对风洞试验模型上表面的液晶涂层进行水平气流喷射，形成上表面剪切应力；在风洞试验模型的上方固定安装标定相机，对液晶涂层的颜色进行拍摄；得到液晶涂层颜色和剪切应力的关系曲线；

步骤(四)、使白光光源垂直照射在风洞试验模型上表面；在风洞试验模型的上方固定安装6台测试相机；

步骤(五)、6台测试相机同时拍摄处于流场中的液晶涂层图像，实时存储于计算机内；

步骤(六)、在风洞试验模型的上表面提取出10-14个关键特征点，并标注各关键特征点的位置；将步骤(五)中6台测试相机拍摄的液晶涂层图像一一对应各关键特征点位置，应用基于图像特征点的局部加权平均配准方法对不同视角图像进行配准，将6台测试相机图像匹配于同一图像位置，去除不同测试相机拍摄的图像位置差异；

步骤(七)、将风洞试验模型拆下，将7列*9行的棋盘格平板水平放在风洞试验模型的位置，6台测试相机同时对棋盘格平板进行拍摄，采用棋盘法对步骤(五)中的液晶涂层图像进行去除畸变处理；

步骤(八)、为保证多台相机的颜色一致性，将棋盘格平板拆下，将标准色卡放置在风洞试验模型位置，6台测试相机同时拍摄标准色卡，提取色板颜色值，对各个相机拍摄图像的相同颜色进行颜色校正；

步骤(九)、将标准色卡拆下，安装风洞试验模型，将6台测试相机拍摄的液晶涂层图像中每个像素的色相值分布进行高斯曲线拟合，得到代表应力大小的色相最大值，即剪切应力方向，结合步骤(三)得到的颜色和剪切应力大小关系曲线，得到模型表面剪切应力矢量分布结果。

在上述的一种流场边界层剪切应力光学测量方法，所述步骤(二)中，液晶和丙酮的混合溶液中，液晶和丙酮的比例为1：8-1：6。

在上述的一种流场边界层剪切应力光学测量方法，所述步骤(二)中，涂层厚度为20-30μm。

在上述的一种流场边界层剪切应力光学测量方法，所述步骤(三)中，标定相机的拍摄方向与气流方向位于同一竖直平面内；标定相机的拍摄方向与气流方向的夹角为锐角，且该夹角为40-50°。

在上述的一种流场边界层剪切应力光学测量方法，所述步骤(四)中，所述6台测试相机的安装位置为：6台测试相机沿同心圆弧位置排列，相邻两台测试相机的间隔角度β为20-30°；测试相机的拍摄方向俯视角α为46-50°；测试相机到风洞试验模型上表面中心的水平距离L为0.3-2m，垂直距离H为0.3-2m。

在上述的一种流场边界层剪切应力光学测量方法，所述步骤(七)中，采用棋盘法对6台不同位置的测试相机拍摄的图像进行去除模型图像畸变处理的方法为：提取出6台测试相机拍摄的棋盘格平板的角点位置信息，由于相机和镜头引起的畸变，测试相机拍摄的角点排列由直线变为曲线形状，对图像做几何变换去除模型图像的畸变，将测试相机拍摄的角点排列由曲线变为直线，通过几何变换的反推，去除步骤(五)中的液晶涂层图像的畸变。

在上述的一种流场边界层剪切应力光学测量方法，所述步骤(八)中，所述标准色卡为24色。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明对风洞试验模型进行表面发黑处理，提高了液晶涂层的颜色辨识度；

(2)本发明采用白光光源垂直照射在模型表面，光线经涂层反射至不同角度相机以获取图像，选用6台测试相机，相隔角度为20-30°的光路设计，提高了光学系统的测试精准度，能够更加准确地体现在不同侧视角度下观测液晶涂层颜色的差异性；

(3)本发明采用了在模型表面提取出12个关键特征点位置，将位置与每台相机一一对应，应用基于图像特征点的局部加权平均配准方法对不同视角图像进行配准的方法进行多视角图像配准，提高了图像配准的精度，是实现步骤9矢量拟合计算的前提；

(4)本发明采用了将各个视角上拍摄的模型图像上每个像素的色相值分布进行高斯曲线进行拟合计算的方法，提高了剪切应力矢量计算的精度，最终实现了模型表面剪切应力的高精度测量。

附图说明

图1为本发明光学测量方法流程图；

图2为本发明光路设计示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为光学测量方法流程图，由图可知，一种流场边界层剪切应力光学测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤(一)、风洞试验模型使用铝制加工并对表面进行抛光处理，然后对模型表面进行阳极化处理，形成氧化保护膜，再对模型进行发黑处理，以保证液晶涂层基底颜色均匀并增加与液晶涂层颜色的对比度，提高液晶涂层显色效果；

步骤(二)、将液晶和丙酮的混合溶液喷涂于风洞试验模型表面，液晶和丙酮的比例为1：8-1：6；形成液晶涂层，并保持涂层厚度均匀，涂层厚度为20-30μm；将液晶材料和一定量的丙酮置于烧杯中配制溶液，将液晶溶液进行恒温加热，使液晶和丙酮混合均匀充分溶解。用喷笔固定在三自由度自动喷涂机构上，调整喷笔与模型相对位置，喷笔对模型表面进行均匀喷涂，得到可用于风洞试验的剪切敏感液晶涂层。

步骤(三)、应用喷流装置对风洞试验模型上表面的液晶涂层进行水平气流喷射，形成上表面剪切应力；在风洞试验模型的上方固定安装标定相机，对液晶涂层的颜色进行拍摄；标定相机的拍摄方向与气流方向位于同一竖直平面内；标定相机的拍摄方向与气流方向的夹角为锐角，且该夹角为40-50°；得到液晶涂层颜色和剪切应力的关系曲线；

其中，用氩气瓶、调压阀及喷嘴组合成一个低速喷流装置，对液晶涂层施加壁面剪切应力，将相机拍摄方向和气流方向保持一致，对液晶涂层进行拍摄，在相同喷流条件下利用摩阻天平测量表面剪切应力，与液晶涂层颜色值进行多项式拟合，得到液晶颜色和剪切应力的关系曲线。

步骤(四)、使白光光源垂直照射在风洞试验模型上表面；将半圆弧型导轨水平安装在模型上方，其圆心与模型中心垂直，多台相机固定在导轨上，与模型中心的水平和垂直距离均保持一致，选用6台测试相机，在风洞试验模型的上方固定安装6台测试相机；6台测试相机沿同心圆弧位置排列，相邻两台测试相机的间隔角度β为20-30°；测试相机的拍摄方向俯视角α为46-50°；测试相机到风洞试验模型上表面中心的水平距离L为0.3-2m，垂直距离H为0.3-2m。

步骤(五)、6台测试相机同时拍摄处于流场中的液晶涂层图像，实时存储于计算机内；

步骤(六)、由于多台相机拍摄视角不同，模型在图像中位置存在差异，在风洞试验模型的上表面提取出10-14个关键特征点，并标注各关键特征点的位置；由于6台测试相机拍摄角度不同，各关键特征点的图像坐标在每台测试相机中是不同的，将步骤(五)中6台测试相机拍摄的液晶涂层图像一一对应各关键特征点位置，应用基于图像特征点的局部加权平均配准方法对不同视角图像进行配准，将6台测试相机图像匹配于同一图像位置，去除不同测试相机拍摄的图像位置差异；

步骤(七)、由于相机镜头会引入光轴偏移和透镜畸变，造成成像失真，将风洞试验模型拆下，将7列*9行的棋盘格平板水平放在风洞试验模型的位置，6台测试相机同时对棋盘格平板进行拍摄，采用棋盘法对步骤(五)中的液晶涂层图像进行去除畸变处理；

采用棋盘法对6台不同位置的测试相机拍摄的图像进行去除模型图像畸变处理的方法为：提取出6台测试相机拍摄的棋盘格平板的角点位置信息，由于相机和镜头引起的畸变，测试相机拍摄的角点排列由直线变为曲线形状，对图像做几何变换去除模型图像的畸变，将测试相机拍摄的角点排列由曲线变为直线，通过几何变换的反推，去除步骤(五)中的液晶涂层图像的畸变。

步骤(八)、为保证多台相机的颜色一致性，将棋盘格平板拆下，将标准色卡放置在风洞试验模型位置，标准色卡为24色标准色卡；6台测试相机同时拍摄标准色卡，提取色板颜色值，对各个相机拍摄图像的相同颜色进行颜色校正；

步骤(九)、将标准色卡拆下，安装风洞试验模型，将6台测试相机拍摄的液晶涂层图像中每个像素的色相值分布进行高斯曲线拟合，得到代表应力大小的色相最大值，即剪切应力方向，结合步骤(三)得到的颜色和剪切应力大小关系曲线，得到模型表面剪切应力矢量分布结果。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。