[發明專利]一種基于PIV技術的超聲速翼型的測力方法和裝置

有效

• 申請號: 201710829729.3
• 申請日: 2017-09-15
• 公開（公告）號: CN107818197B
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發明（設計）人: 劉順;徐驚雷;俞凱凱
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 賈郡

本發明公開了一種基于粒子圖像測速(PIV)技術的超聲速翼型的測力方法，該方法包括：根據PIV測得的超聲速流場的速度場，使用MacCormack方法計算對應的密度場和壓力場；基于控制體方法和動量守恒方程，計算超聲速翼型受到的升力系數和阻力系數；基于流線追蹤法和流量守恒定律，對阻力系數進行修正以提高其計算精度。本發明還同時公開了一種實現所述方法的裝置，從而為高速流場提供了基于PIV技術的超聲速翼型升阻系數的測量方案，克服了現有的亞聲速翼型受力測量的局限性，從而大大擴展了基于PIV技術的測力方案的應用范圍。

技術領域

本發明涉及激光測速技術領域中的粒子圖像測速(Particle ImageVelocimetry，簡稱PIV)技術，特別地，涉及一種基于PIV技術的超聲速翼型的測力方法和裝置。

背景技術

PIV作為一種無接觸式流場速度測量技術，在流體力學領域發揮著越來越重要的作用。PIV直接獲得的是流場的速度分布信息，然而在空氣動力學中，物體在流場中的受力情況同樣十分重要。傳統的測力方法主要包括測力天平，靜壓管以及皮托管，但是，這些測量方法都屬于接觸式測量技術，會對流場本身產生一定干擾，并且需要對實驗設備和實驗模型進行相應的改動，增加了實驗的設計難度以及成本。

根據PIV測得的速度場數據，通過結合流體力學控制方程(N-S方程)，可以得到與PIV速度場相對應的流場壓力分布，進而得到物體在流場中的受力情況。該方法避免了傳統測力設備對流場的干擾，同時降低了實驗的設計難度以及成本。

目前，基于PIV技術的測力方法和裝置主要集中在亞聲速流場的范圍，這極大限制了該方法的實際應用。隨著PIV技術在超聲速以及高超聲速流場中的廣泛運用，基于PIV技術的超聲速流場的測力方法和裝置顯得愈發重要。

發明內容

發明目的：為解決現有技術存在的問題，本發明實施例提供一種基于PIV技術的超聲速翼型的測力方法和裝置。

技術方案：一種基于PIV技術的超聲速翼型的測力方法，該方法包括如下步驟：

步驟1，根據PIV測得的超聲速流場的速度場，使用MacCormack方法計算對應的密度場和壓力場；

步驟2，基于控制體方法和動量守恒方程，計算超聲速翼型受到的升力系數和阻力系數；

步驟3，基于流線追蹤法和流量守恒定律，對阻力系數進行修正以提高其計算精度。

進一步的，所述根據PIV測得的超聲速流場的速度場，使用MacCormack方法計算對應的密度場和壓力場，包括：

選取氣體狀態方程、熱量狀態方程和N-S方程作為MacCormack方法的基本方程組；

將PIV測得的速度場帶入上述MacCormack方法的基本方程組，并進行有限差分處理；

使用MacCormack技術對所述基本方程組進行迭代求解，從而得到對應的密度場和壓力場。

進一步的，所述基于控制體方法和動量守恒方程，計算超聲速翼型受到的升力系數和阻力系數，包括：

根據控制體方法的基本思想，將動量守恒方程整理為如下形式：

F＝-∫∫_Sρ(u·n)udS+∫∫_S(-pn+τ·n)dS，

其中，所述F，u，n，τ，ρ，p和S分別表示超聲速翼型的力矢量，流場的速度矢量，控制體邊界外法線方向上的單位矢量，粘性應力張量，流場的密度，流場的壓力和控制體邊界的面積；

將上述方程進一步處理以降低PIV測量誤差對超聲速翼型測力的影響，得到超聲速翼型的受力為：