[发明专利]一种复杂砂尘的简化与典型特征形状构建方法

说明书

本发明提供了一种复杂砂尘的简化与典型特征形状构建方法，其技术方案是：利用显微镜采集不同景深的图像并进行加运算，获取准确的砂尘轮廓。通过提取特征角点的方法将砂尘的二维截面简化为非规则凸多边形。根据典型形状因子的概率分布规律创建三角形作为基础形状，采用缩比和拼接基础形状的方法创建其他凸多边形，经过筛选生成砂尘的典型特征形状。利用相关度将每一类别的简化形状与特征形状进行匹配，得到特征形状的概率分布，从而有效反映真实砂尘的形状分布特性。该设计方法通用、有效且易于操作，在保留复杂砂尘的主要几何特征的前提下对其进行简化，并创建反映真实砂尘形状分布规律的典型特征形状，有利于建立砂尘的替代模型。

技术领域

本发明涉及直升机砂尘防护与形状分析领域，具体为一种复杂砂尘的简化与典型特征形状构建方法。

背景技术

颗粒两相流运动普遍存在于自然界和工业应用中，是人类的生活与工业生产的重要组成部分。在自然界中，沙尘暴、泥石流、火山灰的扩散与沉积等现象均涉及到两相流问题。在航空领域，直升机涡轴发动机的砂尘防护同样与颗粒与气流的相互作用紧密相关。直升机起降或低空飞行时，受旋翼“下洗流”的影响，地面粒径小于1毫米的石英颗粒被大量吹起并悬浮于空气中，形成局部高浓度砂尘环境，砂尘将不可避免地被吸入发动机。若大量砂尘被吸入核心机，将严重危及发动机的正常运转，为此很有必要对直升机发动机采取相应的进气防护措施。

目前直升机发动机广泛采用惯性式粒子分离器作为进气防护装置，其工作原理为利用惯性力将密度相对较高的砂尘甩至外侧扫气流道，而密度相对较低的空气进入内侧主流道，从而实现洁净空气与砂尘的分离。发动机吸入的异物颗粒是以SiO2为主要组分的砂尘，其粒径分布范围较广，跨越微米量级至毫米量级，而不同粒径的砂尘对发动机的损伤类型与程度也有所不同。粒径大的砂尘与高速旋转叶片相撞时，会使其产生裂纹甚至断裂；而小粒径砂尘跟随气流进入燃烧室，遇高温融化后堵塞涡轮的冷却通道，使发动机部件产生过热的危险。为了提高粒子分离器的分砂效率，降低不同粒径砂尘对发动机的危害，需要对砂尘的运动过程进行模拟。粒子分离器中砂尘的运动过程本质上是一个两相流动问题，通过求解砂尘在流场中受到的气动力大小和方向，便可模拟砂尘在流场中完整的运动轨迹。因此，探究不同粒径砂尘的形貌特征与分布，建立准确的气动力系数经验公式，成为预测砂尘运动轨迹的关键步骤。

实际砂尘的复杂几何形貌不利于建立气动模型，需要对其三维形貌进行合理地简化。在现有的粒子分离器设计过程中，通常将砂尘颗粒直接简化为圆球，这种做法忽略了气流攻角、砂尘形状、旋转对砂尘在流道中运动轨迹的影响，与真实工作条件存在着很大差异。因此，将复杂砂尘简化为除圆球以外的其他非规则形状，依据形状分布规律构建具有代表性的典型特征形状十分有必要。

发明内容

发明目的：提供一种建立复杂砂尘的简化典型形状气动模型的方法。

为了达到上述目的，本发明提供一种复杂砂尘的形状简化与典型特征形状构建方法，可采用如下技术方案：

一种复杂砂尘的简化与典型特征形状构建方法，包括以下步骤：

(1)砂尘样本制备，取样前充分搅拌砂尘，使粗细砂尘混合均匀；砂尘以单颗粒的形态分散在介质中；

(2)砂尘图像采集：将显微镜的取景高度沿垂直于拍摄平面的方向调整，从而生成不同景深的图片集；

(3)二维图像分析与简化，包括：

(3a)对上述图片集中的图像进行初步处理，包括去噪、中值滤波、增强对比度、将图片二值化以及填洞操作；

(3b)将同一视场不同景深的图片集进行加法操作，获得砂尘的精确外形；

(3c)除去图像中的过小颗粒物，对单个颗粒物进行分离,获取砂尘几何中心点坐标和边界曲线的坐标集合，将几何中心点到边界的距离表示成关于极角的函数；