用于确定作用在物体上的力的方法和系统

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)。

说明书

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：

其中：

V是速度矢量，

S是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。

在根据本发明的方法的实施例中，封闭受控容积由具有六个限定表面的立方体或长方体构成。

在根据本发明的方法的实施例中，受控容积的限定表面彼此垂直地延伸。

这具有的优点是，可以在不转换坐标的情况下估算在限定表面处检测到的数据。

在根据本发明的方法的备选实施例中，受控容积由具有四个限定表面的四面体构成。

作为受控容积的四面体具有的优点是，要估算的限定表面的数目最少。

在根据本发明的方法的实施例中，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或力分布的时间特性F(t)。

本发明还提供了一种具有如权利要求16所述的特征的系统。

本发明提供了一种确定作用在物体上的至少一个力的系统，包括：

(a)受控容积，被提供在流道内部，在所述封闭受控容积中布置有物体；

(b)第一测量装置，用于针对限定受控容积的每个表面检测压力分布；

(c)第二测量装置，用于针对受控容积的每个限定表面检测速度场；以及

(d)计算单元，用于根据针对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F。

在根据本发明的方法的实施例中，第一测量装置包括可以在受控容积的一个或多个限定表面或限定平面上移动的至少一个压力传感器。

在根据本发明的方法的实施例中，第二测量装置针对受控容积的每个限定表面产生激光交叉，以检测该限定表面上的分散微粒的微粒分布。

在根据本发明的系统的实施例中，第二测量装置包括至少一个脉冲激光器以及至少两个摄像机。

在根据本发明的系统的实施例中，摄像机是CCD摄像机或CMOS摄像机。

在根据本发明的系统的实施例中，物体是3D模型，所述3D模型的体积小于受控容积。

本发明还提供了一种具有程序指令的计算机程序，用于实现确定作用在物体上的至少一个力的方法，所述物体被安装在流道中，流体流动经过该物体，所述计算机程序具有以下步骤：

针对限定受控容积的每个表面检测压力分布和速度场；

根据针对受控容积的每个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F。

本发明还提供了一种用于存储这种类型的计算机程序的数据载体。

附图说明

参考附图来描述根据本发明的方法和设备的优选实施例，以说明本发明的基本特征。

图1示出了描绘根据本发明的用于确定作用在物体上的力的系统的可能实施例的框图；

图2a、2b示出了说明根据本发明的确定作用在物体上的力的系统和方法的图示；

图3示出了说明根据本发明的确定作用在物体上的力的方法的可能实施例的简单流程图。

具体实施方式

从图1中可以看出，在根据本发明的测量系统1中，将物体2置于在流道或风洞中提供的受控容积3中。物体2可以是任何期望的物体，具体地，三维模型。三维模型例如是飞机或飞机组件的模型。物体2还可以是要研究的任何其他物体，例如，要研究的交通工具或建筑物。要研究的物体2在受控容积中，即，物体2的体积或尺寸小于受控容积3。流道内的受控容积3是封闭的容积，并且具有多个限定表面。可以根据要研究的物体2的几何结构来选择受控容积3的几何结构。优选地，将受控容积的限定表面的坐标存储在存储器中，以控制测量装置。在图1所示的实施例中，受控容积3由立方体或长方体构成，受控容积3的限定表面相对于彼此垂直地对齐。在备选实施例中，受控容积3由具有四个限定表面的四面体构成。受控容积3的几何结构和尺寸可以灵活地适应要研究的物体2的形状和尺寸。

受控容积3中要研究的物体2暴露给流道中任何期望流体4的流。流体4可以是例如气体或液体。在许多情况下，流动流体4由空气形成。在这种情况下，一个或多个风扇产生导向物体2的空气流。

在根据本发明的方法的优选实施例中，向流体4中添加分散微粒，所述分散微粒反射光，具体反射激光。在可能实施例中，分散微粒的尺寸或直径是可以改变的。

在根据本发明的测量系统1的实施例中，如图1所示，为受控容积3的每个限定表面提供激光器5，激光器5产生具有可调节强度的脉冲光。利用激光，针对受控容积3的每个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。

在备选实施例中，激光源或激光器5的数目比围成受控容积3的限定表面的数目少。在该实施例中，光学装置，例如透镜和反射镜，用于产生每个限定表面的激光交叉，激光是由公共激光器5产生的。在根据本发明的测量系统1的实施例中，可以调节脉冲激光的时间周期或频率。

如图1所示，根据本发明的测量系统1还包括至少两个摄像机6A、6B，这两个摄像机光学地记录每个限定表面的分散微粒的微粒分布。例如，摄像机6A、6B可以是CCD(电荷耦合器件)摄像机或CMOS摄像机。可以将针对受控容积3的相应限定表面的由摄像机6A、6B记录的微粒分布作为图像临时存储在数据处理设备8的存储器7中。通过同步控制器或同步器9来控制激光器5和摄像机6A、6B。来自激光器5的光的两个非常短的脉冲在流中照亮了受控容积的限定表面，因此摄像机6A、6B记录许多分散微粒的局部位移，这些分散微粒以自由漂移(drift-free)的方式跟随流体4的流。光脉冲可以持续几纳秒到几微秒。将摄像机6A、6B所记录的微粒分布作为图像临时存储在存储器7中，然后由计算单元10来估算。通过对所记录的微粒分布进行互相关，计算单元10计算局部微粒位移矢量。基于微粒位移矢量，为围成受控容积3的每个限定表面计算速度场的速度矢量V。此外，计算单元10接收来自压力传感器11的数据或测量信号。在图1所示的实施例中，压力传感器11可以在受控容积3的一个或多个限定表面上移动并检测受控容积3的相应限定表面上的压力分布。例如，在与所存储的受控容积3的限定表面的坐标相对应的平面中由激活的电动机来移动压力传感器11。压力传感器11在预定的测量点栅格中测量限定表面上的静态压力分布。压力传感器11构成第一测量装置，所述第一测量装置用于针对限定受控容积3的每个限定表面来检测压力分布。激光器5和关联的摄像机6A、6B构成第二测量装置，所述第二测量装置用于针对受控容积3的每个限定表面检测速度场。在这方面，第二测量装置针对受控容积3的每个限定表面产生激光交叉，以检测该限定表面上分散微粒的微粒分布。优选地，用于检测压力分布和速度场的分辨率或测量点栅格是可调整的。

计算单元10根据针对受控容积3的限定表面而检测到的压力分布，以及根据受控容积3的各个限定表面上的速度矢量V，来计算动态地作用在物体2上的力F。

在根据本发明的系统1的实施例中，使用以下等式来计算作用在物体2上的力F(t)：

其中：

V是速度矢量，

S是受控容积3的限定表面，

p是在限定表面上检测到的压力，以及

ρ是流动流体4的密度。

可以根据在控制和限定表面上的速度和压力来确定三个力和三个转矩。

例如，计算单元10可以有一个或多个微处理器构成，所述一个或多个微处理器实时估算由测量装置提供的数据并经由用户接口输出结果。

图2a、2b示出了简单示例以说明根据本发明的确定作用在物体2上的力F的方法。在图2a所示的示例中，物体2是旋转体2，具体地，是螺旋桨。该螺旋桨2处于立方体中，该立方体形成受控容积3。物体2可以是要研究的物体本身，或者可以是要研究的物体的三维模型。在每种情况下，物体2的体积小于受控容积3的容积。

图2b示出了由激光器5针对受控容积3而产生的激光交叉。例如，由电动机来驱动位于受控容积3中的螺旋桨2，添加了分散微粒的空气4流经螺旋桨2。为了研究旋转体2(即，螺旋桨)的行为，例如螺旋桨叶片的迎角(angle of attack)或旋转的螺旋桨的旋转速度可以变化。此外，到来的流体4的流动速率可以变化，以在不同风速下研究物体2的行为。

图3示出了根据本发明的确定作用在物体2上的力F的方法的可能实施例的简单流程图。

在开始步骤S0之后，首先将要研究的所有物体2布置在流道的预定受控容积3中。一旦物体2处于受控容积3中，压力传感器11就针对限定受控容积3的每个限定表面检测压力分布p(x，y)。同时，在步骤S2，利用激光器5和摄像机6A、6B来针对受控容积3的每个限定表面检测速度场。在另一步骤S3中，计算单元10根据针对受控容积的每个限定表面而检测到的压力分布和速度场来计算作用在物体2上的力，该力经由接口输出至用户。

在根据本发明的方法的可能实施例中，可以调整受控容积3的尺寸或容积。受控容积3越大，压力传感器11检测到的力的贡献就越小，因此可以相对容易地检测到快速变化的非稳定力，如，湍流。

可以基于在受控容积3的限定表面或控制表面上出现的速度来独立地计算力和转矩。

在可能实施例中，还可以考虑物体2的对称性，以减少要估算的受控容积3的限定表面的数目，或减小要估算的数据的量。例如，为了研究空气在上面对称流动的单个螺旋桨的行为，全部所需的是在流动方向上布置在螺旋桨下游的限定表面的数据以及侧面的数据。此外，可以估算布置在螺旋桨上游的限定表面的数据。因此，当考虑对称性时，要估算的数据量可以减半。

根据本发明的系统1允许通过在受控容积3限定表面上的间接测量，从作用在物体2上的力F(t)的方面，来研究有空气流经的物体2。由于受控容积3包围特定空间中的物体2，并且测量是间接进行的，所以作用在物体2上的力不受测量本身影响，换言之，根据本发明的测量系统1使得可以精确测量物体2上的实际力分布，而无差错。此外，在根据本发明的测量系统1中，不需要将传感器安装到物体2本身，因此获得测量数据的技术复杂度较低，尤其是在物体2快速旋转情况下。如图1所示，根据本发明的测量系统1允许工程师在不同条件下对物体2的行为进行可靠的观测。以这种方式，用户(例如，工程师)可以基于分析结果来优化物体2的流行为。使用根据本发明的测量系统1，不仅可以使例如作用在要研究的物体2上的力和转矩形象化，还可以使流对物体2的影响形象化。根据本发明的测量系统1还使得可以研究力和转矩分布的时间变化，即，当参数(例如，到来的流速率)改变时，也可以检测到动态力变化F(t)或转矩变化。此外，根据本发明的测量系统1尤其灵活，因为受控容积3是虚拟的，并且可以容易地使限定表面的坐标适合要研究的物体2的形状和尺寸。除了受控容积3以外，也可以调整其他测量参数，例如，流体4的到来流速率、要添加或混合的分散微粒的浓度、以及分散微粒的相应尺寸。此外，可以调整激光的频率以及摄像机6A、6B的分辨率。此外，可以选择流体4的密度或类型。可以利用测量参数来使测量最优地适于要研究的物体2以及适于所选的分析。

附图标记的列表

1       测量系统

2       物体

3       受控容积

4       流体流

5       激光器

6A、6B  摄像机

7       存储器

8       数据处理单元

9       同步控制器

10      计算单元

11      压力传感器

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种确定作用在物体(2)上的力的方法，包括以下步骤：

(a)将物体(2)布置在流道内预定的封闭受控容积(3)中，所述封闭受控容积(3)具有多个限定表面；

(b)针对限定封闭受控容积(3)的每个表面同时测量压力分布和速度场；

(c)根据针对封闭受控容积(3)的限定表面同时测量的压力分布和速度场，来计算作用在物体(2)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，光学地测量速度场。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，物体(2)在流道中暴露给包含分散微粒的流体(4)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(3)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)来测量的。

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：

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

p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(2)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(2)；

(b)第一测量装置(11)，用于针对限定了封闭受控容积(3)的每个表面测量压力分布；

(c)第二测量装置(5，6A，6B)，用于针对封闭受控容积(3)的每个限定表面测量速度场；其中第一测量装置和第二测量装置同时测量封闭受控容积(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)，用于根据同时测量的受控容积(3)的计算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(3)。

说明或声明(按照条约第19条的修改)

PCT第19条修改声明

1.权利要求书修改说明

修改后的权利要求1基于原始递交的权利要求1。此外，特征(b)修改为，“测量”压力分布和速度场，而不是原来的表述“检测”。

从属权利要求2按照修改后的权利要求1修改措辞。

权利要求3至12与原始权利要求3至11一致。

独立权利要求12在措辞上根据修改后的权利要求1进行适应性调整，同样限定测量压力分布和速度场。

从属权利要求13至15与原权利要求13至15一致。

2.创造性

如检索部在报告第2点归纳，对比文件1(＝Van Oudheusden B.W.et al.：“Evaluation of integral forces and pressure fields from planarvelocimetry data for incompressible and compressible flows”Experiments in Fluids；Experimental Methods and their Applications to Fluid Flow，Springer，Berlin，DE，Bd.43，Nr.2-3，16 February 2007(2007-02-16)，pages 153-162，XP019540714，ISSN：1432-1114)没有公开测量压力分布，而仅计算压力分布。