分析液滴流动的装置的制作方法

本公开涉及光学实验领域，尤其涉及一种分析液滴流动的装置。

背景技术：

在航空航天领域，高温、高速流场的复杂服役环境给航空航天热防护带来了巨大挑战。特别是在高超音速飞行器再入过程中，当飞行器达到一定速度，飞行器前缘与空气产生剧烈相互作用，前缘表面温度急剧升高，导致飞行器前缘表面的结构材料由于气动加热而融化，继而形成液滴，在气流的作用下产生流动、融合、分离等一系列演化过程。

碳/碳化硅复合材料由于其良好的力学特性和抗高温性能，被广泛应用于航空航天热防护。碳/碳化硅复合材料在烧蚀过程中析出液态二氧化硅等物质，液态二氧化硅能够填封材料表明的缝隙等缺陷，同时能够很好的隔绝氧气与基体，减少烧蚀。针对这个现象开展在线实验观测，研究液滴的流动、融合规律，分析液滴在高温高速气流下的流场以更好的利用液态二氧化硅隔绝氧气是很重要的。而描绘流动特性的场通常是速度场或者流动轨迹无法显现的场，因而难以对液滴流动特征进行判断。

技术实现要素：

有鉴于此，本公开提出了一种分析液滴流动的装置。

根据本公开的一方面，提出了一种分析液滴流动的装置，所述装置包括：固定组件、气流产生装置、加热装置、图像获取装置和处理组件；

所述固定组件用于固定试件；

所述加热装置用于对所述试件加热，以使所述试件熔化，形成液滴；

所述气流产生装置用于在加热中的试件的表面产生气流，以使所述液滴流动；

所述图像获取装置用于在液滴流动过程中获取所述试件的表面的图像；

所述处理组件用于根据所述图像分析所述液滴的流动特征。

在一种可能的实现方式中，所述根据所述图像分析所述液滴的流动特征包括：

控制所述图像获取装置在液滴流动过程中获取所述试件的表面的图像，所述图像包括第一时刻的图像和第二时刻的图像，其中，所述第二时刻在所述第一时刻之后；

根据所述第一时刻的图像和第二时刻的图像中的液滴的位置变化确定所述液滴的位移向量；

根据所述液滴的位移向量确定液滴的右柯西应变张量，并确定所述右柯西应变张量的最大特征值；

根据所述最大特征值确定有限时间李雅普诺夫指数以及由有限时间李雅普诺夫指数组成的有限时间李雅普诺夫指数场，并根据所述有限时间李雅普诺夫指数场确定所述液滴的位置的梯度以及梯度场，并确定所述梯度场的海森堡矩阵；

确定所述海森堡矩阵的最小特征值对应的特征向量，并确定所述特征向量与所述液滴的位置的梯度的内积以及由所述内积组成的标量场；

选取所述标量场中数值为零的内积对应的位置，并根据所述位置获取拉格朗日拟序结构，所述拉格朗日拟序结构用于确定所述液滴的流动特征。

在一种可能的实现方式中，所述液滴的右柯西应变张量是通过对所述位移向量进行中心差分来确定的。

在一种可能的实现方式中，所述液滴包括多个液滴，对所述位移向量进行中心差分确定所述液滴的右柯西应变张量包括：

在所述第一时刻的图像中选择第一液滴与第二液滴，确定第一液滴的位置向量a0和第二液滴的位置向量a0+δx，其中，所述第一液滴与所述第二液滴相邻，δx是在第一时刻时第一液滴与第二液滴的位置向量差；

根据位置向量差δx确定在第二时刻时第一液滴与第二液滴的位置向量差δx(t)；

对所述位置向量差δx(t)进行泰勒展开，获取所述位置向量差δx(t)的泰勒展开式；

根据所述位置向量差δx(t)的泰勒展开式确定所述第一液滴的右柯西应变张量δ。

在一种可能的实现方式中，在第二时刻时第一液滴与第二液滴的位置向量差δx(t)是根据等式δx(t)＝x(a0+δx,t)-x(a0,t)确定的，其中，t是所述第二时刻，x(a0+δx,t)是所述第二液滴在第二时刻时的位移向量，x(a0,t)是所述第一液滴在第二时刻时的位移向量。

在一种可能的实现方式中，根据所述位置向量差δx(t)的泰勒展开式确定所述第一液滴的右柯西应变张量δ包括：根据等式确定所述第一液滴的右柯西应变张量，其中，δ是所述第一液滴的右柯西应变张量，是的伴随矩阵。

在一种可能的实现方式中，根据所述最大特征值确定有限时间李雅普诺夫指数包括：

根据等式确定有限时间李雅普诺夫指数，其中，λ是有限时间李雅普诺夫指数，δ是所述第一液滴的右柯西应变张量，t0是所述第一时刻，t是所述第二时刻，λmax(δ)是所述右柯西应变张量的最大特征值。

在一种可能的实现方式中，根据所述位置获取拉格朗日拟序结构包括：

将所述标量场中数值为零的内积对应的位置依次连接，获取拉格朗日拟序结构。

在一种可能的实现方式中，所述流动特征包括所述液滴的流动趋势、流动方向和加速趋势。

在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：照明组件和/或隔热组件，

所述照明组件用于为所述试件的表面照明；

所述隔热组件由透明材料制成，位于所述图像获取装置和所述试件之间，用于在对所述试件加热时保护所述图像获取装置。

根据本公开的各方面的分析液滴流动的装置通过获取试件表面液滴流动的图像，可分析液滴的流动特征，还可对对烧蚀实验中材料表面的大量液滴流动产生的流场特性进行分析，使流场特征更高效的可视化，改善向量场可视化中的遮挡和流场混乱现象。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的分析液滴流动的装置的示意图。

图2是根据一示例性实施例示出的根据图像分析液滴的流动特征的方法流程图。

图3是根据一示例性实施例示出的步骤s13的流程图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

图1是根据一示例性实施例示出的分析液滴流动的装置的示意图。如图1所示，根据本公开实施例的分析液滴流动的装置包括固定组件11、气流产生装置12、加热装置13、图像获取装置14和处理组件15。

固定组件11用于固定试件18；

加热装置13用于对试件18加热，以使试件18熔化，形成液滴；

气流产生装置12用于在加热中的试件18的表面产生气流，以使所述液滴流动；

图像获取装置14用于在液滴流动过程中获取试件18的表面的图像；

处理组件15用于根据所述图像分析所述液滴的流动特征。

根据本公开的一个实施例，所述试件18可以是广泛应用于航空航天热防护的碳/碳化硅复合材料制成的试件，或其他任何需要进行液滴流动特性分析的测试件。在示例中，试件的尺寸为500mm×100mm×5mm。固定组件11可以是任何能够固定试件的组件，例如，固定组件可包括底座111、支架112和夹具113，试件18被夹具113夹持，并由底座111和支架112支撑。

根据本公开的一个实施例，加热装置13可以是任何可对试件进行加热的装置，例如可以是火焰喷射装置，在示例中，火焰喷射装置的火焰出口内径为2mm，火焰出口距离试件表面距离为10mm，火焰喷射装置的火焰出口与试件表面夹角为30°。在示例中，氧气和乙炔的气压分别为0.45mpa和0.09mpa，流量分别为4.14l/min和2.46l/min，喷出的乙炔气由于氧气的助燃，燃烧充分，对试件表面进行加热。加热装置13可布置在靠近试件的位置。

根据本公开的一个实施例，气流产生装置12可以是任何可产生气流的装置，例如可包括出风管121和鼓风机122，鼓风机122可用于产生气流和控制风速，出风管121可用于将气流吹向试件18的表面。气流产生装置12可布置在靠近试件的位置。

根据本公开的一个实施例，图像获取装置14可以是任何可以获取图像的拍照或摄影装置，例如高速相机，用于对试件18的表面进行拍摄，以获取液滴流动的图像。

根据本公开的一个实施例，分析液滴流动的装置还可包括隔热组件17，由透明材料制成，位于图像获取装置14和试件18之间，用于在对试件18加热时保护图像获取装置14，在示例中，隔热组件17可由高温石英玻璃制成。

根据本公开的一个实施例，分析液滴流动的装置还可包括照明组件16，照明组件16可以是蓝色光源，用于为试件18的表面照明。在示例中，照明组件16可与图像获取装置14布置在隔热组件17的同一侧，在试件18被加热时，隔热组件17可保护照明组件16。

根据本公开的一个实施例，处理组件15用于根据所述图像，分析液滴的流动特征。所述流动特征包括所述液滴的流动趋势、流动方向和加速趋势。处理组件15可通过通用计算机、可编程逻辑器件等结合逻辑指令实现，也可通过专用硬件实现，本公开对此不作限制。

根据本公开的一个实施例，在分析液滴流动时，试件18被夹持在夹具113上，加热装置13喷出高温火焰对试件18进行烧蚀。在试件18表面融化形成液滴后，将图像获取装置14与照明组件16开启，在隔热组件17的保护下对准试件18的表面进行拍摄。在示例中，可在对试件18进行烧蚀的40秒之后开启图像获取装置14和照明组件16。

根据本公开的一个实施例，在开启图像获取装置14与照明组件16时，还可开启气流产生装置12，以在试件18表面形成气流，在示例中，气流速度可以是20m/s。

根据本公开的一个实施例，可在气流吹动试件18表面的液滴流动时通过图像获取装置14来获取试件18表面的图像。在示例中，图像获取装置14在气流产生装置18开启后对准试件18的表面拍摄10秒，以获取该10秒内的图像。将所述图像存储后，可关闭图像获取装置14、照明组件16、气流产生装置12和加热装置13。

根据本公开的各方面的分析液滴流动的装置通过获取试件表面液滴流动的图像，可分析液滴的流动特征，还可对对烧蚀实验中材料表面的大量液滴流动产生的流场特性进行分析，使流场特征更高效的可视化，改善向量场可视化中的遮挡和流场混乱现象。

图2是根据一示例性实施例示出的根据图像分析液滴的流动特征的方法流程图。如图2所示，处理组件15根据所述图像分析所述液滴的流动特征包括以下步骤：

在步骤s11中，控制图像获取装置14在液滴流动过程中获取试件18的表面的图像，所述图像包括第一时刻的图像和第二时刻的图像，其中，所述第二时刻在所述第一时刻之后；

在步骤s12中，根据所述第一时刻的图像和第二时刻的图像中的液滴的位置变化确定所述液滴的位移向量；

在步骤s13中，根据所述液滴的位移向量确定液滴的右柯西应变张量，并确定所述右柯西应变张量的最大特征值；

在步骤s14中，根据所述最大特征值确定有限时间李雅普诺夫指数(finite-timelyapunovexponent，ftle)以及由有限时间李雅普诺夫指数组成的有限时间李雅普诺夫指数场，并根据所述有限时间李雅普诺夫指数场确定所述液滴的位置的梯度以及梯度场，并确定所述梯度场的海森堡矩阵；

在步骤s15中，确定所述海森堡矩阵的最小特征值对应的特征向量，并确定所述特征向量与所述液滴的位置的梯度的内积以及由所述内积组成的标量场；

在步骤s16中，选取所述标量场中数值为零的内积对应的位置，并根据所述位置获取拉格朗日拟序结构，所述拉格朗日拟序结构用于确定所述液滴的流动特征。

根据本公开的一个实施例，在步骤s11中，处理组件15可控制图像获取装置14来获取试件18表面的图像，并从中选取第一时刻的图像和第二时刻的图像，第二时刻在第一时刻之后。

根据本公开的一个实施例，在步骤s12中，两个时刻的图像中均可包括多个液滴，每个液滴在气流产生装置12的吹动下均可产生一定的位移，可用位移向量表示一个液滴在两个时刻之间的位移。在示例中，使用第一液滴在第二时刻的图像中的位置与第一时刻的图像中的位置做向量减法，可得第一液滴的位移向量x(a0,t)，其中，a0是第一液滴的位置向量，t是第二时刻。

根据本公开的一个实施例，在步骤s13中，液滴的右柯西应变张量可以通过对所述位移向量进行中心差分来确定的。通过右柯西应变张量可确定有限时间李雅普诺夫指数，进而确定拉格朗日拟序结构。拉格朗日拟序结构是指在时变系统中区分不同动力学特征区域的结构。这些结构可以用有限时间李雅普诺夫指数来定义。这一定义是基于拉格朗日力学来描述的，与参考系无关。通过有限时间李亚普诺夫指数可以找到时间相关系统中的分界线，通常类似于时间无关系统中的稳定流形和非稳定流形。这些分界线即是拉格朗日拟序结构。拉格朗日拟序结构是分析时间相关系统的有用工具，该结构可以区分流场中有不同流动特征的区域。以下参照图3来详细描述步骤s13的一个示例。

图3是根据一示例性实施例示出的步骤s13的流程图。如图3所示，对多个液滴的位移向量进行中心差分确定液滴的右柯西应变张量包括以下步骤：

在步骤s21中，在所述第一时刻的图像中选择第一液滴与第二液滴，确定第一液滴的位置向量a0和第二液滴的位置向量a0+δx，其中，所述第一液滴与所述第二液滴相邻，δx是在第一时刻时第一液滴与第二液滴的位置向量差；

在步骤s22中，根据位置向量差δx确定在第二时刻时第一液滴与第二液滴的位置向量差δx(t)；

在步骤s23中，对所述位置向量差δx(t)进行泰勒展开，获取所述位置向量差δx(t)的泰勒展开式；

在步骤s24中，根据所述位置向量差δx(t)的泰勒展开式确定所述第一液滴的右柯西应变张量δ。

根据本公开的一个实施例，在步骤s21中，第一时刻的图像中可包括多个液滴，可从所述多个液滴中选取两个相邻的液滴作为第一液滴和第二液滴。其中，第一液滴的位置向量为a0，第二液滴的位置向量为a0+δx，其中，δx是在第一时刻时第一液滴与第二液滴的位置向量差。在示例中，第一液滴和第二液滴相邻，因此，δx可以是无穷小量。

根据本公开的一个实施例，在步骤s22中，第二时刻两液滴的位置向量差δx(t)可以根据以下等式(1)来确定的：

δx(t)＝x(a0+δx,t)-x(a0,t)(1)

其中，x(a0+δx,t)是第二液滴的位移向量。对两个向量做向量减法即可获得第二时刻两液滴的位置向量差δx(t)。

根据本公开的一个实施例，在步骤s23中，可根据以下一阶泰勒公式(2)对位置向量差δx(t)进行展开，以获取泰勒展开式：

其中，t0是第一时刻，δx(t0)是将t0代入δx(t)获得的向量，||δx||是δx的范数，o(||δx||²)是||δx||²的高阶无穷小量，||δx||是根据以下等式(3)来确定的：

其中，为第一液滴的位置向量a0的位移梯度张量，是的伴随矩阵。

根据本公开的一个实施例，在步骤s24中，第一液滴的右柯西应变张量δ是根据以下等式(4)来确定的：

其中，右柯西应变张量δ是矩阵形式的变量，可计算该矩阵求特征值，获得该矩阵的所有特征向量，其中，最大的特征值为λmax(δ)。

根据本公开的一个实施例，在步骤s14中，可根据液滴的右柯西应变张量δ的最大特征向量λmax(δ)来确定有限时间李雅普诺夫指数。在示例中，可根据以下等式(5)来确定该液滴的有限时间李雅普诺夫指数：

其中，λ为有限时间李雅普诺夫指数。

根据本公开的一个实施例，由所有液滴的有限时间李雅普诺夫指数组成的向量即为有限时间李雅普诺夫指数场，在本公开的实施例中，可根据有限时间李雅普诺夫指数场来计算所有液滴位置的梯度以及梯度场，其中，梯度是向量形式的变量，梯度场是矩阵形式的变量。

根据本公开的一个实施例，对所有液滴的梯度场进行对角化，即，计算所有液滴的梯度场的海森堡矩阵。

根据本公开的一个实施例，在步骤s15中，所述海森堡矩阵的对角线上的值即为所述海森堡矩阵的特征值，这些特征值也是所述梯度场的特征值，每个特征值均对应一个特征向量。在本公开的实施例中，选取所有特征值中最小的特征值对应的特征向量，并计算该特征向量与该液滴的梯度的内积，所述内积为标量，即数值变量。该数值变量可与第二时刻的图像中的位置相关。每个液滴对应一个梯度，同时对应一个海森堡矩阵的特征向量，可计算每个液滴的梯度与对应的特征向量的内积，得到该液滴对应的内积，所有液滴对应的内积可组成一个标量场，所述标量场是向量形式的变量。

根据本公开的一个实施例，在步骤s16中，由于标量场中的每个内积均与图像中的位置相关，因此，在本公开的实施例中，可选取标量场中数值为零的内积，确定这些内积对应的位置，并将这些位置依次连接，即可获取拉格朗日拟序结构。拉格朗日拟序结构是描绘液滴流动趋势、流动方向和加速趋势的结构线，能够将上述的多种向量场划分为运动特性不同的区域，将相邻的流线按照运动特性区分开来，对分析液滴的流动特性具有重要作用。本领域技术人员可通过相关技术，利用拉格朗日拟序结构来描绘液滴流动趋势、流动方向和加速趋势等液滴的流动特征。

根据本公开的各方面的分析液滴流动的装置通过计算限时间李雅普诺夫指数场来获得拉格朗日拟序结构，可区分流场中无法通过速度场和迹线显示的不同动力学特征的区域，将相邻的流线按照运动特性区分开来，对烧蚀实验中材料表面的大量液滴流动产生的流场特性进行分析，使流场特征更高效的可视化，改善向量场可视化中的遮挡和流场混乱现象。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。