[发明专利]一种基于PIV技术的超声速翼型的测力方法和装置

说明书

本发明公开了一种基于粒子图像测速(PIV)技术的超声速翼型的测力方法，该方法包括：根据PIV测得的超声速流场的速度场，使用MacCormack方法计算对应的密度场和压力场；基于控制体方法和动量守恒方程，计算超声速翼型受到的升力系数和阻力系数；基于流线追踪法和流量守恒定律，对阻力系数进行修正以提高其计算精度。本发明还同时公开了一种实现所述方法的装置，从而为高速流场提供了基于PIV技术的超声速翼型升阻系数的测量方案，克服了现有的亚声速翼型受力测量的局限性，从而大大扩展了基于PIV技术的测力方案的应用范围。

技术领域

本发明涉及激光测速技术领域中的粒子图像测速(Particle ImageVelocimetry，简称PIV)技术，特别地，涉及一种基于PIV技术的超声速翼型的测力方法和装置。

背景技术

PIV作为一种无接触式流场速度测量技术，在流体力学领域发挥着越来越重要的作用。PIV直接获得的是流场的速度分布信息，然而在空气动力学中，物体在流场中的受力情况同样十分重要。传统的测力方法主要包括测力天平，静压管以及皮托管，但是，这些测量方法都属于接触式测量技术，会对流场本身产生一定干扰，并且需要对实验设备和实验模型进行相应的改动，增加了实验的设计难度以及成本。

根据PIV测得的速度场数据，通过结合流体力学控制方程(N-S方程)，可以得到与PIV速度场相对应的流场压力分布，进而得到物体在流场中的受力情况。该方法避免了传统测力设备对流场的干扰，同时降低了实验的设计难度以及成本。

目前，基于PIV技术的测力方法和装置主要集中在亚声速流场的范围，这极大限制了该方法的实际应用。随着PIV技术在超声速以及高超声速流场中的广泛运用，基于PIV技术的超声速流场的测力方法和装置显得愈发重要。

发明内容

发明目的：为解决现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种基于PIV技术的超声速翼型的测力方法和装置。

技术方案：一种基于PIV技术的超声速翼型的测力方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，根据PIV测得的超声速流场的速度场，使用MacCormack方法计算对应的密度场和压力场；

步骤2，基于控制体方法和动量守恒方程，计算超声速翼型受到的升力系数和阻力系数；

步骤3，基于流线追踪法和流量守恒定律，对阻力系数进行修正以提高其计算精度。

进一步的，所述根据PIV测得的超声速流场的速度场，使用MacCormack方法计算对应的密度场和压力场，包括：

选取气体状态方程、热量状态方程和N-S方程作为MacCormack方法的基本方程组；

将PIV测得的速度场带入上述MacCormack方法的基本方程组，并进行有限差分处理；

使用MacCormack技术对所述基本方程组进行迭代求解，从而得到对应的密度场和压力场。

进一步的，所述基于控制体方法和动量守恒方程，计算超声速翼型受到的升力系数和阻力系数，包括：

根据控制体方法的基本思想，将动量守恒方程整理为如下形式：

F＝-∫∫_Sρ(u·n)udS+∫∫_S(-pn+τ·n)dS，

其中，所述F，u，n，τ，ρ，p和S分别表示超声速翼型的力矢量，流场的速度矢量，控制体边界外法线方向上的单位矢量，粘性应力张量，流场的密度，流场的压力和控制体边界的面积；

将上述方程进一步处理以降低PIV测量误差对超声速翼型测力的影响，得到超声速翼型的受力为：