全局表面摩擦应力直接测量技术研究

摘要

边界层研究是空气动力学（流体力学）最重要的研究课题之一，而表面摩擦应力对于描述湍流边界层的状态也是一个重要的物理量。但是无论是对于计算流体力学还是实验流体力学，表面摩擦应力都是最难确定的物理量之一。湍流是流体力学中尚未完全解决的世界性难题。在研究湍流边界层时，无论是考核湍流的理论研究（例如模式理论）还是检验数值模拟结果，最能说明问题的是表面摩擦应力。本文全面研究了现有表面摩擦应力测量技术，在直接和间接测量分类基础上，进一步引入“传感器技术”和“空间尺度”两个维度对表面摩擦应力测量技术进行了系统分析。分析表明，在众多表面摩擦应力测量方法中“全局表面摩擦应力直接测量方法”在精度和空间分辨率方面具有明显优势，但其具体实现和解算却存在着诸多困难。在对比现有全局表面摩擦应力直接测量方法后，本文引入了一种以荧光油膜为基本测量手段的新方案，并将其作为研究对象。研究通过理论分析、算法研究以及实验研究相结合的方法进行。
　　在理论研究方面，首先从荧光油膜亮度的角度出发，研究了在全局表面摩擦应力作用下油膜荧光强度变化与其运动过程的内在联系及其遵循的规律，并获得了荧光油膜控制方程。然后进一步结合连续性方程建立了荧光油膜全局表面摩擦应力测量模型，并详细分析了该测量模型的简化过程，为定量测量全局表面摩擦应力奠定了理论基础。在此基础上，分别从一维和二维的角度分析了定常流动中荧光油膜测量模型解的特性，结果表明:无论在一维还是二维情况下，荧光油膜解在特定条件下（即(6)τs/(6)t=0、(6)τs/(6)s=0且τs≠0）具有相似特性，而在一般条件下则是准自相似的，该结论为通过解序列融合以提高解算精度的方法提供了依据。接着以图像处理技术为基本手段，探索了荧光油膜演化过程的定量测量方法，建立了全局表面摩擦应力到平面图像灰度变化的映射关系。针对测量结果拓扑分析过程中出现的可穿透边界问题，引入可穿透边界的指标定理，并给出了具体的使用策略，从而克服了转换点判断困难的问题。
　　在算法研究方面，主要针对测量模型求解方法、优化求解策略、解的融合策略以及投影标定四个问题展开。其中，为了解决测量模型求解过程中出现的孔径问题，分别引入了基于最小二乘法的局部求解算法和基于变分技术的全局求解算法，并通过模拟荧光油膜演化图像对以上两种求解算法的可行性以及具体参数的选择对解算结果的影响进行了试验研究。随后，针对以上两种求解方法在抗干扰性、求解速度和精度三方面存在的不足，提出了优化求解算法。该优化算法以稳健性理论为基础在求解模型中引入罚函数从而提高了解算结果对干扰的鲁棒性，以金字塔迭代演化法为纽带将局部求解算法和全局求解算法融合在一起，使这两种解算方法的优势得到充分利用从而提高了解算精度和速度。在解的融合策略研究上，根据定常流动中“油膜演化”方程解的特点，进行了沿时间轴的解序列的融合方法的研究，使测量出的全局表面摩擦应力尽可能的独立于油膜的初始状态，进一步提高了测量精度。在投影标定算法研究上，引入了以直接线性变换(DLT)算法为基础的优化算法，从而消除了直接采用DLT算法时由于成像系统内外参数间存在强烈的耦合关系而出现奇异解的问题。
　　在实验研究方面，搭建了标准摩擦应力场给定装置，探索了全局表面摩擦应力测量的标定方法;研制全局表面摩擦应力测量实验平台，构建了被测对象物面全局表面摩擦应力到平面灰度图像的投影、采集以及数据分析系统;开展了典型物面及流动情况下的测量实验研究，如对冲击射流、双三角翼的全局表面摩擦应力测量，验证了相关理论分析和算法研究的正确性;并以此为基础探索了本文研究成果在风力机叶片研究以及流动控制领域的应用。

目录

摘要

注释表

第一章 绪论

1．1 课题的背景与意义

1．2 国内外研究概述

1．2．1 表面摩擦应力测量技术分类

1．2．2 表面摩擦应力测量技术综述

1．3 本文研究的目的、意义和方法

1．4 本文研究工作内容

第二章 荧光油膜测量模型及其简化分析

2．1 引言

2．2 荧光油膜控制方程

2．3 荧光油膜测量模型

2．4 模型简化分析

2．5 本章小结

第三章 荧光油膜测量模型求解方法研究

3．1 引言

3．2 光流技术

3．3 孔径问题

3．4 局部解算方法

3．5 全局解算方法

3．5．1 光滑约束条件的引入

3．5．2 基于变分技术的求解方法

3．5．3 算法实现

3．6 解特性分析

3．6．1 一维解特性分析

3．6．2 二维解特性分析

3．7 求解算法验证

3．7．1 荧光油膜模拟演化图像

3．7．2 局部解算方法试验验证

3．7．3 全局解算方法试验验证

3．8 本章小结

第四章 测量模型求解算法优化研究

4．1 引言

4．2 稳健性处理及罚函数引入

4．2．1 稳健性分析

4．2．2 罚函数及其特性讨论

4．2．3 稳健性处理实施方案

4．2．4 试验验证

4．3 金字塔迭代演化优化算法

4．3．1 算法原理

4．3．2 算法实现

4．3．3 试验验证

4．4 全局表面摩擦应力综合求解优化算法

4．5 本章小结

第五章 荧光油膜在线测量技术研究

5．1 引言

5．2 荧光油膜在线测量影响因素分析

5．3 荧光油膜定量测量技术

5．3．1 荧光油膜定量测量系统

5．3．1 定量转换系数的确定

5．3．2 提高信噪比的可行性措施

5．4 荧光油膜定量测量技术实验验证

5．4．2 标准表面摩擦应力给定装置

5．4．3 实验结果及分析

5．4 荧光油膜投影测量技术

5．4．1 投影测量技术基本原理

5．4．2 直接线性变换算法

5．4．3 优化算法

5．5 荧光油膜投影测量技术实验验证

5．5．1 实验设备

5．5．2 实验结果及分析

5．6 本章小结

第六章 全局表面摩擦应力场拓扑分析

6．1 前言

6．2 基于临界点理论的拓扑分析方法

6．2．1 临界点分类

6．2．2 临界点拓扑分析原则

6．3 基于分叉线的拓扑分析方法

6．4 可穿透边界的拓扑分析方法

6．4．1 可穿透边界的指标定理

6．4．2 可穿透边界指标定理的使用策略

6．5 实验研究

6．5．1 实验装置

6．5．2 荧光油膜测量模型解算结果

6．5．3 临界点及分叉线分析

6．5．4 可穿透边界分析

6．6 本章小结

第七章 荧光油膜技术的工程应用

7．1 前言

7．2 在风力机研究中的应用

7．2．1 叶片参数

7．2．2 实验设备

7．2．3 荧光油膜测量结果及分析

7．3 在流动控制领域的应用

7．3．1 基于雷诺应力控制的分离控制技术

7．3．2 雷诺应力与表面摩擦应力

7．3．3 后台阶流动控制研究

7．4 本章小结

第八章 总结和展望

8．1 总结

8．2 创新点

8．3 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文