[发明专利]一种仿生鱼摆尾的压力场测量装置与方法

权利要求书

1.一种仿生鱼摆尾的压力场测量装置，包括透明玻璃钢水槽（1），高能激光器（8）、D型柱透镜（9），其特征在于：

所述透明玻璃钢水槽（1）内部均匀布撒PIV示踪粒子（2），机械仿生鱼（6）的尾部摆动时带动水槽内的PIV示踪粒子（2）运动，产生位移；

操作架（3）固定在透明玻璃钢水槽（1），操作架（3）通过可伸缩式机械臂连接机械仿生鱼（6）的背鳍，操作架（3）设有微型压力传感器（4），其压力感应元件伸入水体中，用于监测压力值；

操作架（3）一侧设有CCD摄像机（5），CCD摄像机（5）连接后处理系统（7）；

透明玻璃钢水槽（1）外部设有高能激光器（8）；

高能激光器（8）产生的点光源穿过D型柱透镜（9）的平面一侧，经过曲面一侧的折射，产生面光源，面光源穿透透明玻璃钢水槽（1）照射在机械仿生鱼（6）的中线所在平面，该平面的PIV示踪粒子（2）被照亮，从而被CCD摄像机（5）所捕捉到。

2.根据权利要求1所述一种仿生鱼摆尾的压力场测量装置，其特征在于：所述机械仿生鱼（6）包括：鱼体轮廓（a）、鱼尾（b）、电池（c）、微型处理器程控芯片（d）、上部线圈（e）、下部线圈（f）、条形磁铁（g）；

在鱼体轮廓（a）内设有上部线圈（e）、下部线圈（f），其对称分布于鱼体后部的两侧，鱼体的下方设有电池仓，其中装有电池（c），电池（c）的正、负极由导线与微型处理器程控芯片（d）连接，微型处理器程控芯片（d）输出端分别连接上部线圈（e）、下部线圈（f），两个线圈的中间设有一个可以摆动的条形磁铁（g），条形磁铁（g）与伸出鱼体轮廓（a）的鱼尾（b）相连。

3.根据权利要求1所述一种仿生鱼摆尾的压力场测量装置，其特征在于：所述透明玻璃钢水槽（1）为四周透明的矩形玻璃钢水槽。

4.根据权利要求1所述一种仿生鱼摆尾的压力场测量装置，其特征在于：所述PIV示踪粒子（2）为粒径为10μm、密度1.02g/cm-3的空心玻璃粒子。

5.根据权利要求1所述一种仿生鱼摆尾的压力场测量装置，其特征在于：所述CCD摄像机（5）采用Mikrotron公司的MC1311型高速摄影机，在1024×512的分辨率下以1000Hz的频率，进行自上而下垂直拍摄水槽内PIV示踪粒子（2）的运动。

6.根据权利要求1所述一种仿生鱼摆尾的压力场测量装置，其特征在于：所述高能激光器（8）连接激光供电器（10），高能激光器（8）在激光供电器（10）的持续供电下产生的点光源。

7.采用如权利要求1-6所述任意一种一种仿生鱼摆尾的压力场测量装置的仿生鱼摆尾的压力场测量方法，其特征在于：CCD摄像机（5）获取的视频通过后处理系统（7）进行分析，从而获取瞬时速度场；

获取的速度场包括拍摄区域的空间坐标X、Y以及各方向的速度分量u、v；从测量的速度场数据中获取压力场，其基本原理是通过求解N-S的变形形式即可获取压力场。

8.采用如权利要求1-6所述任意一种一种仿生鱼摆尾的压力场测量装置的仿生鱼摆尾的压力场测量方法，其特征在于：将计算区域划分为一系列的不重复的控制体积，在控制体积上通过离散微分方程进行求解；同理，在PIV的图像处理系统中，往往是将图像分解为若干个大小相等的矩形区域，该区域称为查问区，PIV计算的速度数据，存放于查问区的中心，这恰好与同位网格十分相似，只是查问区的中心只有速度值，没有压力值，因此可以通过离散N-S方程来获取压力值；

N-S方程如下所示：

∂(ρuxux)∂x+∂(ρuxuy)∂y=X-∂P∂x+∂∂x(μ∂ux∂x)+∂∂y(μ∂ux∂y)---(1)]]>

∂(ρuyux)∂x+∂(ρuyuy)∂y=Y-∂P∂y+∂∂x(μ∂uy∂x)+∂∂y(μ∂uy∂y)---(2)]]>

在简化过程中，忽略质量力的影响，故上面两式写成：

∂P∂x=∂∂x(μ∂ux∂x)+∂∂y(μ∂ux∂y)-∂(ρuxux)∂x-∂(ρuxuy)∂y---(3)]]>

∂P∂x=∂∂x(μ∂ux∂x)+∂∂y(μ∂ux∂y)-∂(ρuxux)∂x-∂(ρuxuy)∂y---(4)]]>

上式中：u_x，u_y可以通过PIV的实验测得，因此，对上式进行离散化处理，利用PIV测得的速度场就可以得到两个方向的压力梯度，进而可以得到流域的压力场；

对微分项的处理，要得到压力梯度首先要求方程右边各微分项的值，以x方向为例对项，

∫sn∫we∂P∂xdxdy=∫sn(Pe-Pw)dy≈(Pe-Pw)Δy---(5)]]>

对项，

∫sn∫we∂(ρuxux)∂x+∂(ρuxuy)∂ydxdy=∫snρ(uex2-uwx2)dy+∫weρ(unxuny-usxusy)dx≈ρ(uex2-uwx2)Δy+ρ(unxuny-usxusy)Δx---(6)]]>

对项，

∫sn∫we{∂∂x(μ∂ux∂x)+∂∂y(μ∂ux∂y)}dxdy=∫sn(μ∂uxe∂x-μ∂uxw∂x)dy+∫we(μ∂uxn∂y-μ∂uxs∂y)dx=μ∂uxe∂xΔy-μ∂uxw∂xΔy+μ∂uxn∂yΔx-μ∂uxs∂yΔx≈μuXE-uXPΔxΔy-μuXP-uXWΔxΔy+μuXN-uXPΔyΔx-μuXP-uXSΔyΔx---(7)]]>

上述控制容积中心P、W、E、N、S处的速度值为PIV测得，Δx、Δy为PIV互相关计算的步长，界面e、w、s、n上的速度均为未知，但可采用插值的方法得到，采用二阶迎风格式得到各界面处的速度值，这是有限体积法的一贯做法，经过整理终得到：

(Pe-Pw)Δy=μuXE-uXPΔxΔy-μuXP-uXWΔxΔy+μuXN-uXPΔyΔx-μuXP-uXSΔyΔx-{ρ(uex2-uwx2)Δy+ρ(unxuny-usxusy)Δx}---(8)]]>

Pe-Pw=μuXE-2uXP+uXWΔx+μuXN-2uXP+uXSΔy2Δx-ρ(uex2-uwx2)-ρ(unxuny-usxusy)ΔxΔy---(9)]]>

同理，对y方向动量积分、整理得到：

Pn-Ps=μuYE-2uYP+uYWΔx2+μuYN-2uYP+uYSΔyΔx-ρ(uny2-usy2)-ρ(uexuey-uwxuwy)ΔyΔx---(10)]]>

各单元网格上的界面压差P_e-P_w、P_n-P_s得到后，在网格系统中选取一个参考压力点，而所选取的压力参考点数据，为微型压力传感器（4）实时监测的压力值，将其带入上式中即可得到各界面处准确的压力值，若网格足够密，取P_P＝(P_e+P_w+P_n+P_s)/4，，即可以得到控制容积中心的压力值。