[发明专利]一种用于流场速度测量的特征信号图像法及测量系统

说明书

本发明提供了一种用于流场速度测量的特征信号图像法及测量系统，该特征信号图像法包括：利用高速摄像机连续拍摄射流流场的光强波动图像，然后利用图像分析软件获取每帧图像上射流流场各空间序列点的光强，然后根据时间点的先后顺序建立各空间序列点上光强的时间序列，即可得到各帧图像上各空间序列点上射流速度分布的结果：利用前述步骤再计算各帧图像，即可得到全射流流场每个空间位置的流动速度。本发明利用特征信号图像测量等离子体射流的流速，解决了示踪颗粒在稀薄高速等离子体流动中难以跟随射流流场运动的难题。本发明可在极短的时间内测得射流流场速度的二维分布，操作简便，无需设备介入射流流场，能够快速准确测得流体的瞬时速度。

技术领域

本发明涉及射流流场测量领域，特别是涉及一种用于流体射流流场速度测量的特征信号图像测速方法。

背景技术

流体的流动速度是射流流场最为基本的物理量，对流动特征的认识很大程度上取决于速度场的获得，尤其是在高速射流流场特性的研究中，流速测量能够为流体动力学研究提供重要的实验数据。目前，射流流场速度测量主要分为介入式与非介入式两种方式。介入式测量主要有皮托管和热线风速仪两种方式，非介入式测量主要包括激光多普勒法，粒子图像法、分子标记法和射流流场光强扰动传播测速法等。

皮托管原理是应用伯努利方程，通过测量点压强的方法来间接测出点速度大小。皮托管测速属于单点、定常的接触式测量，对被测射流流场影响较大，在工业级应用比较普遍，或者用于其他测量方法的预估测量，极少用于流体力学实验研究测量。热线风速仪测速的基本原理是利用通电的热线探头在射流流场中会产生热量损失来进行测量的，但是该种方法同样对射流流场会产生干扰，且金属线容易断裂。

非介入式测量对射流流场没有任何扰动。激光多普勒法是测量通过激光束的示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到粒子速度，进而获得射流流场速度。该方法精度高，测速范围宽，但设备复杂，价格昂贵，无法反映空间结构的变化。粒子图像法是通过拍摄并测量射流流场中跟随流体运动的颗粒(示踪粒子)的速度来反映射流流场速度，该方法可以直观反映瞬时全场流动信息，具有单点测量技术无法替代的优点。由于图像采集和处理速度受限，粒子图像法的时间采样频率仍然有限，且其测量的结果仍然是颗粒的运动速度，示踪颗粒在特殊流体(比如超高速气体，稀薄气体等)中难以跟随射流流场运动的问题仍然存在。分子标记法，与粒子图像法原理类似，都是根据示踪物在已知时间间隔内跟随射流流场的移动距离计算射流流场的速度分布，是以分子作为标记示踪的射流流场速度测量技术。但该方法在振动较大的环境中，测量系统受振动引起的位移可能带来较大的误差，同时光学窗口对内射流流场测量会带来干扰。

目前最常用的测量方法是直接利用流体本身光强波动来获得速度。

传统的利用光强扰动测速方法主要由光学透镜与光电倍增管组成。光学透镜将射流流场中间距为ΔZ的两点的成像在两个间距较大的测量点上，测量点上分别安置光电倍增管，测量射流中两个待测点的光强扰动。为了加大测量点的间距以利于放置光电二极管，常常在透镜后安装分束立方体。光强扰动在两个待测点的传播时间间隔ΔT可由两个光电倍增管的输出信号分析获得。从而，待测两点的平均速度通过下式得到：

虽然该方法可以在不扰动射流流场的情况下，获得相应点的平均速度，但该方法一次只能获得单个空间位置的平均速度，效率太低。

发明内容

本发明的目的是要提供一种用于流体射流流场速度多点测量的特征信号图像测速方法及适应该特征信号图像测速方法的测量系统。

特别地，本发明提供一种用于流场速度测量的特征信号图像法，包括如下步骤

步骤100，利用高速摄像机连续拍摄射流流场的光强波动图像，然后发送至计算机利用图像分析软件进行处理；