一种借助粒子图像测速技术定量衡量流场对称性的方法与流程

本发明属于流体力学领域，特别涉及一种借助粒子图像测速技术定量衡量流场对称性的方法。
背景技术：
：近年来，我国在诸多领域取得重大突破；比如航空航天领域的国产大飞机c919、嫦娥三号、神州十号、天宫一号；交通运输领域的高铁动车组、万吨级货轮、无人驾驶汽车；军事领域的歼20、国产航母；钢铁工业领域高端优级钢种的国产化等；这些成就的取得无不跟各学科、各行各业的理论或实验研究的进步息息相关；流体力学的研究是其中最重要的方面之一；例如c919在风洞试验中两侧机翼所处流场的对称性问题，关系飞机在空中的飞行的稳定性及安全性；高铁动车组在高速运行过程中对称位置处流场的对称性，关系高铁的平稳性；连续铸造生产钢材时连铸结晶器内对称位置流场的对称性，严重关系连铸坯的质量等。综上所述，定量研究几何对称装置内部或外部对称位置处流场的对称性显得尤为重要；因此，本发明提供了一种借助粒子图像测速技术定量衡量流场对称性的方法。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种借助粒子图像测速技术定量衡量流场对称性的方法，用于定量研究几何对称装置内部或外部对称位置处流场的对称性。本发明采用的技术方案如下：一种借助粒子图像测速技术定量衡量流场对称性的方法,其特征是，包括如下步骤：（1）根据相似原理，以合适比例，将几何对称的实物制作成物理模型；（2）选择合适的模拟流体，模拟流体的选择标准为：与实际的流体运动粘度相同或相近；向模拟流体中添加示踪粒子，添加的示踪粒子的密度与模拟流体的密度相同或相近；（3）将制作好的物理模型置于模拟流体中，借助粒子图像测速仪对流场进行拍摄；首先对粒子图像测速仪的参数进行设置，设置曝光时间等参数，并将粒子图像测速仪的镜头中心点调节对准在物理模型的对称轴上；使得拍摄区域关于物理模型的对称轴对称；借助粒子图像测速仪可以得到两种vec文件，其中一种为记录拍摄区域内流场中各个位置点不同时刻的瞬时速度矢量的vec文件，该种文件有多个，其数量取决于拍摄时长和曝光时间；每一时刻的vec文件包含拍摄区域内流场中各个位置点的位置坐标及该点相对应的速度分量信息，具体包括（xmm,ymm,um/s,vm/s），其中xmm表示流场中某点相对于默认坐标原点o的横坐标，ymm表示该点在流场中相对于默认坐标原点o的纵坐标，um/s表示流场中该点在x方向上的速度分量，vm/s表示流场中该点在y方向上的速度分量；借助粒子图像测速仪还可以得到另一种vec文件，该vec文件记录了拍摄区域内流场中各个位置点在拍摄时间段内的平均速度矢量，即得到拍摄时间段内的时均vec文件，该文件同样包括（xmm,ymm,um/s,vm/s），其中xmm表示流场中某点相对于默认坐标原点o的横坐标，ymm表示该点在流场中相对于默认坐标原点o的纵坐标，um/s表示流场中该点在x方向上、拍摄时间段内的平均速度分量，vm/s表示流场中该点在y方向上、拍摄时间段内的平均速度分量；（4）根据步骤（3）得到的任意一个vec文件中的（xmm,ymm）坐标数据画出原始vec数据坐标区域图，图中包含矩形框、物理模型、x坐标轴、y坐标轴、物理模型对称轴；其中矩形框代表拍摄区域的范围，物理模型的对称轴与拍摄区域的对称轴重合；（5）将步骤（3）得到的两种vec文件用转换工具或自编小程序转化为两种相应的xls文件，转化后的xls文件包含了原始vec文件的全部数据；（6）重新选定坐标原点o：使用粒子图像测速仪，其默认坐标原点o不在物理模型的对称轴上，根据步骤（4）画出的原始vec数据坐标区域图，将默认坐标原点沿x轴方向移动一定的坐标单位△x，或沿y轴方向移动一定的坐标单位△y，再或者延x轴、y轴方向移动（△x，△y），使变换后的坐标原点位于物理模型的对称轴上；得到坐标变换后的vec数据坐标区域图；（7）根据步骤（6）中的移动量△x或△y或（△x，△y），将步骤（5）得到的两种xls文件中的（xmm,ymm）进行相应的坐标变换，得到两种新的xls文件，新的xls文件中的xmm表示流场中某点相对于新的坐标原点o的横坐标，ymm表示该点在流场中相对于新的坐标原点o的纵坐标；（8）利用步骤（7）得到的两种新的xls文件定量衡量流场对称性。进一步，根据步骤（7）得到的两种新的xls文件绘制出更加详细的坐标变换后vec数据坐标区域图，根据该图可以直接看出对称点位置坐标，再通过步骤（7）中的两种xls文件可以快速查找出对称位置点以及相应的瞬时速度大小、以及时均速度大小；用该方法可以快速找出物理模型对称点处不同时刻瞬时速度大小、以及时均速度大小，进而对流场对称性进行定量分析。进一步，选取物理模型对称轴两侧的对称点，根据步骤（7）得到的,记录拍摄区域内流场中各个位置点不同时刻的瞬时速度矢量的xls文件，利用xls文件中的函数计算出每个位置点总速度大小，即通过（um/s,vm/s）数值计算总速度；并绘制选取对称点在拍摄时间段内速度随时间的变化图，通过对比图中绘制的曲线的重合度来整体衡量拍摄时间段选取对称点处流场对称性。进一步，选取垂直于物理模型对称轴所在直线上的一排对称点，根据步骤（7）得到的,记录了拍摄区域内流场中各个位置点在拍摄时间段内的平均速度矢量，即得到拍摄时间段内的时均xls文件，利用xls文件中的函数计算出每个位置点总速度大小，即通过（um/s,vm/s）数值计算总速度；并绘制该垂直线上对称点在拍摄时间段内，该垂直直线上不同位置点时均速度变化曲线图；通过该图可以直观的看出物理模型对称轴两侧垂直直线上对称点的流场对称性，两侧曲线重合度越高，两侧对称性越好，通过该图还可以定量算出该直线上对称点的速度差异。进一步，选取物理模型对称轴两侧的、且与对称轴平行的两排对称点，根据步骤（7）得到的,记录了拍摄区域内流场中各个位置点在拍摄时间段内的平均速度矢量，即得到拍摄时间段内的时均xls文件，利用xls文件中的函数计算出每个位置点总速度大小，即通过（um/s,vm/s）数值计算总速度；并绘制两条平行线上对称点在拍摄时间段内，不同位置点时均速度变化曲线图；通过该图可以直观的看出物理模型对称轴两侧对称平行直线上对称点的流场对称性，两个曲线重合度越高，两侧对称性越好。本发明的有益效果在于：本发明的方法用于定量研究几何对称装置内部或外部对称位置处流场的对称性，该方法可以定量的内容包括：（1）对称位置点相应的瞬时速度大小、以及时均速度大小；（2）对称点在拍摄时间段内速度大小随时间的变化；（3）物理模型对称轴两侧垂直于对称轴直线上对称点的流场对称性；（4）物理模型对称轴两侧对称平行直线上对称点的流场对称性；根据对称性结果调整装置结构、形状、尺寸等参数，使设备、工具或飞行器的运行稳定性、平稳性、安全性提升一个档次。附图说明图1为本发明实施例中将粒子图像测速仪的镜头中心点调节对准在结晶器内部的浸入式水口的对称轴上的示意图。图2为本发明实施例中t=0.00s时刻的vec文件部分截图。图3为本发明实施例中拍摄时长为52s的时均vec文件部分截图。图4为本发明实施例中根据图2的vec文件中的（xmm,ymm）坐标数据画出的原始vec数据坐标区域图。图5为本发明实施例中图2转化后的xls文件。图6为本发明实施例中图3转化后的xls文件。图7为本发明实施例中坐标变换后的vec数据坐标区域图。图8为本发明实施例中图5的xls文件变换后的xls文件。图9为本发明实施例中图6的xls文件变换后的xls文件。图10为本发明实施例中绘制出的对称点p1和p11处速度随时间的变化图。图11为本发明实施例中选取垂直于对称轴的一排对称点的示意图。图12为本发明实施例中图11中垂直直线上不同位置点时均速度变化曲线图。图13为本发明实施例中选取的平行于对称轴的两排平行对称点的示意图。图14为本发明实施例中两条平行线上对称点在拍摄时间段内，不同位置点时均速度变化曲线图。具体实施方式为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合实施例对本发明作进一步的详细介绍，以下所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制。实施例钢铁材料是航天、军事、交通、工业等领域的基础材料，故选取钢铁连续铸造的重要设备——结晶器作为本发明的实施例，应用本发明的方法对其内部流场的对称性进行定量衡量。一种借助粒子图像测速技术定量衡量流场对称性的方法，包括如下步骤：（1）根据相似原理，以合适比例，将几何对称的实物制作成物理模型；比如将飞机实物等比例缩小制作成飞机模型、将动车组实物等比例缩小制作成动车组模型、将汽车实物等比例缩小制作成汽车模型、将连铸结晶器实物等比例缩小制作成连铸结晶器模型等；本实施例中，已知某钢厂宽板坯连铸结晶器断面为2040mm×200mm，生产钢种为sus304不锈钢，拉速为0.85m·min-1，在相似原理的理论基础上，建立原型实物和物理模型比例为4:1的物理模型；表1列出了结晶器原型实物与物理模型的主要参数；表1结晶器原型实物与物理模型的主要参数（2）选择合适的模拟流体，模拟流体的选择标准为：与实际的流体运动粘度相同或相近；向模拟流体中添加示踪粒子，添加的示踪粒子的密度与模拟流体的密度相同或相近；本实施例中，水和钢液的运动粘度相当，因此可以采用水的流动来模拟钢液的流动；并向水中添加示踪粒子，添加的示踪粒子的密度与水的密度相当。（3）将制作好的物理模型置于模拟流体中，借助粒子图像测速仪对流场进行拍摄；首先对粒子图像测速仪的参数进行设置，设置曝光时间等参数，并将粒子图像测速仪的镜头中心点调节对准在物理模型的对称轴上；使得拍摄区域关于物理模型的对称轴对称；表2列出了粒子图像测速仪在本实施例中的参数设置，这里设置的曝光时间为0.52s，连续抓拍100次，即拍摄时长为52s；实施者可根据实际流场流速大小自行调整以达到最佳效果；表2粒子图像测速仪的参数设置模式激光延迟△tpiv曝光时间激光频率ccd曝光时间序列400μs1200μs410μs1.92hz0.52s如图1所示，为本实施例中，将粒子图像测速仪的镜头中心点调节对准在结晶器内部的浸入式水口的对称轴上的示意图，可以先在物理模型上标示出对称轴的位置，再进行对准；图1中，a部件为结晶器的浸入式水口，流体通过该水口注入结晶器内实现连铸，图中的矩形框为拍摄区域的范围，浸入式水口的对称轴与拍摄区域的对称轴重合；借助粒子图像测速仪可以得到两种vec文件，其中一种为记录拍摄区域内流场中各个位置点不同时刻的瞬时速度矢量的vec文件，该种文件有多个，其数量取决于拍摄时长和曝光时间；本实施例中，得到100张不同时刻的vec文件，如图2所示，为其中t=0.00s时刻的vec文件部分截图（其余99张图本发明中省略附图）；每一时刻的vec文件包含拍摄区域内流场中各个位置点的位置坐标及该点相对应的速度分量信息，具体包括（xmm,ymm,um/s,vm/s），其中xmm表示流场中某点相对于默认坐标原点o的横坐标，ymm表示该点在流场中相对于默认坐标原点o的纵坐标，um/s表示流场中该点在x方向上的速度分量，vm/s表示流场中该点在y方向上的速度分量；借助粒子图像测速仪还可以得到另一种vec文件，该vec文件记录了拍摄区域内流场中各个位置点在拍摄时间段内的平均速度矢量，即得到拍摄时间段内的时均vec文件，该文件同样包括（xmm,ymm,um/s,vm/s），其中xmm表示流场中某点相对于默认坐标原点o的横坐标，ymm表示该点在流场中相对于默认坐标原点o的纵坐标，um/s表示流场中该点在x方向上、拍摄时间段内的平均速度分量，vm/s表示流场中该点在y方向上、拍摄时间段内的平均速度分量；如图3所示为本实施例中，拍摄时长为52s的时均vec文件部分截图。（4）根据步骤（3）得到的任意一个vec文件中的（xmm,ymm）坐标数据画出原始vec数据坐标区域图，图中包含矩形框、物理模型、x坐标轴、y坐标轴、物理模型对称轴；其中矩形框代表拍摄区域的范围，物理模型的对称轴与拍摄区域的对称轴重合；如图4所示，为本实施例中根据图2的vec文件中的（xmm,ymm）坐标数据画出的原始vec数据坐标区域图，图中a部件为结晶器的浸入式水口，流体通过该水口注入结晶器内实现连铸，图中的矩形框为拍摄区域的范围，浸入式水口的对称轴与拍摄区域的对称轴重合。（5）将步骤（3）得到的两种vec文件用转换工具或自编小程序转化为两种相应的xls文件，转化后的xls文件包含了原始vec文件的全部数据；本实施例中，如图5为图2转化后的xls文件，图6为图3转化后的xls文件。（6）重新选定坐标原点o：使用粒子图像测速仪，其默认坐标原点o不在物理模型的对称轴上，例如本实施例中图4所示，默认坐标原点o在拍摄区域的左上角，这样不能方便直观的进行流场对称性分析，通过步骤（3）得到的两种vec文件中也无法快速的找到对称位置点进行对比分析；所以需要重新选定坐标原点o；根据步骤（4）画出的原始vec数据坐标区域图，将默认坐标原点沿x轴方向移动一定的坐标单位△x，或沿y轴方向移动一定的坐标单位△y，再或者延x轴、y轴方向移动（△x，△y），使变换后的坐标原点位于物理模型的对称轴上；得到坐标变换后的vec数据坐标区域图；本实施例中，画出的原始vec数据坐标区域图如图4所示，将图4中的默认坐标原点沿x轴正方向移动△x=391.873032，沿y轴负方向移动△y=33.108795，使变换后的坐标原点位于浸入式水口的对称轴上；得到坐标变换后的vec数据坐标区域图，如图7所示。（7）根据步骤（6）中的移动量△x或△y或（△x，△y），将步骤（5）得到的两种xls文件中的（xmm,ymm）进行相应的坐标变换，得到两种新的xls文件，新的xls文件中的xmm表示流场中某点相对于新的坐标原点o的横坐标，ymm表示该点在流场中相对于新的坐标原点o的纵坐标；利用xls文件中的函数可以快速实现变换；本实施例中，图5的xls文件变换为图8所示的xls文件，图6的xls文件变换为图9所示的xls文件。（8）利用步骤（7）得到的两种新的xls文件定量衡量流场对称性，具体步骤如下：（8.1）方法1根据步骤（7）得到的两种新的xls文件绘制出更加详细的坐标变换后vec数据坐标区域图，根据该图可以直接看出对称点位置坐标，再通过步骤（7）中的两种xls文件可以快速查找出对称位置点以及相应的瞬时速度大小、以及时均速度大小；用该方法可以快速找出物理模型对称点处不同时刻瞬时速度大小、以及时均速度大小，进而对流场对称性进行定量分析；例如，本实施例中，图7中，p1（0.16，-0.08）与p11（-0.16，-0.08）为关于浸入式水口对称轴两侧的对称点，通过步骤（7）中的xls文件，如图8所示，可以快速查找出，p1其速度为（-0.032572，-0.046492）、p11速度为（0.042248，-0.024823）；通过对比该组数据信息可以得知，t=0.00s时刻，本实施例物理模型左右对称点p1、p11处瞬时速度大小和方向不同，该时刻模型内的流场不对称，且能定量算出其瞬时速度的差异；如图9所示，可以快速查找出，拍摄时间段内，p1的时均速度为（-0.033582，-0.046473）、p11时均速度为（0.042246，-0.024827），据此可判断流场中这两点在拍摄时间段内平均的流场对称性。（8.2）方法2选取物理模型对称轴两侧的对称点，根据步骤（7）得到的,记录拍摄区域内流场中各个位置点不同时刻的瞬时速度矢量的xls文件，利用xls文件中的函数计算出每个位置点总速度大小，即通过（um/s,vm/s）数值计算总速度；并绘制选取对称点在拍摄时间段内速度随时间的变化图，通过对比图中绘制的曲线的重合度来整体衡量拍摄时间段选取对称点处流场对称性；例如，本实施例中，以p1（0.16，-0.08）与p11（-0.16，-0.08）为研究对称点，根据100张不同时刻的xls文件，分别计算出每张xls文件中这两点的总速度大小，绘制出对称点p1和p11处速度随时间的变化图，如图10所示；从图中可以直观的看出对称点p1和p11不同时刻速度大小随时间的变化，通过对比两个曲线的重合度来整体衡量拍摄时间段p1和p11处流场对称性。（8.3）方法3选取垂直于物理模型对称轴所在直线上的一排对称点，根据步骤（7）得到的,记录了拍摄区域内流场中各个位置点在拍摄时间段内的平均速度矢量，即得到拍摄时间段内的时均xls文件，利用xls文件中的函数计算出每个位置点总速度大小，即通过（um/s,vm/s）数值计算总速度；并绘制该垂直线上对称点在拍摄时间段内，该垂直直线上不同位置点时均速度变化曲线图；例如，本实施例中，如图11所示，选取如图所示的一排对称点（即y=0所在直线），根据图9中数据，利用xls文件中的函数计算出每个位置点总速度大小，即通过（um/s,vm/s）数值计算总速度；并绘制该垂直线上对称点在拍摄时间段内，该垂直直线上不同位置点时均速度变化曲线图，如图12所示，图12中横轴代表距离对称轴的坐标，纵轴代表速度大小；通过图12可以直观的看出物理模型对称轴两侧垂直于对称轴水平直线上对称点的流场对称性，两侧曲线重合度越高，两侧对称性越好，通过该图可以定量算出该直线上对称点的速度差异。（8.4）方法4选取物理模型对称轴两侧的、且与对称轴平行的两排对称点，根据步骤（7）得到的,记录了拍摄区域内流场中各个位置点在拍摄时间段内的平均速度矢量，即得到拍摄时间段内的时均xls文件，利用xls文件中的函数计算出每个位置点总速度大小，即通过（um/s,vm/s）数值计算总速度；并绘制两条平行线上对称点在拍摄时间段内，不同位置点时均速度变化曲线图；例如，本实施例中，如图13所示，选取如图所示的两排平行对称点，根据图9中数据，利用xls文件中的函数计算出每个位置点总速度大小，即通过（um/s,vm/s）数值计算总速度；并绘制两条平行线上对称点在拍摄时间段内，不同位置点时均速度变化曲线图，如图14所示，图14中纵轴代表距离水平轴的距离，横轴代表速度大小；通过图14可以直观的看出物理模型对称轴两侧对称平行直线上对称点的流场对称性，两个曲线重合度越高，两侧对称性越好。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12