全局表面摩擦應(yīng)力直接測(cè)量技術(shù)研究.pdf

1、邊界層研究是空氣動(dòng)力學(xué)（流體力學(xué)）最重要的研究課題之一，而表面摩擦應(yīng)力對(duì)于描述湍流邊界層的狀態(tài)也是一個(gè)重要的物理量。但是無論是對(duì)于計(jì)算流體力學(xué)還是實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，表面摩擦應(yīng)力都是最難確定的物理量之一。湍流是流體力學(xué)中尚未完全解決的世界性難題。在研究湍流邊界層時(shí)，無論是考核湍流的理論研究（例如模式理論）還是檢驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果，最能說明問題的是表面摩擦應(yīng)力。本文全面研究了現(xiàn)有表面摩擦應(yīng)力測(cè)量技術(shù)，在直接和間接測(cè)量分類基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引入“傳感器技

2、術(shù)”和“空間尺度”兩個(gè)維度對(duì)表面摩擦應(yīng)力測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析。分析表明，在眾多表面摩擦應(yīng)力測(cè)量方法中“全局表面摩擦應(yīng)力直接測(cè)量方法”在精度和空間分辨率方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但其具體實(shí)現(xiàn)和解算卻存在著諸多困難。在對(duì)比現(xiàn)有全局表面摩擦應(yīng)力直接測(cè)量方法后，本文引入了一種以熒光油膜為基本測(cè)量手段的新方案，并將其作為研究對(duì)象。研究通過理論分析、算法研究以及實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法進(jìn)行。
　　在理論研究方面，首先從熒光油膜亮度的角度出發(fā)，研究了在全

3、局表面摩擦應(yīng)力作用下油膜熒光強(qiáng)度變化與其運(yùn)動(dòng)過程的內(nèi)在聯(lián)系及其遵循的規(guī)律，并獲得了熒光油膜控制方程。然后進(jìn)一步結(jié)合連續(xù)性方程建立了熒光油膜全局表面摩擦應(yīng)力測(cè)量模型，并詳細(xì)分析了該測(cè)量模型的簡化過程，為定量測(cè)量全局表面摩擦應(yīng)力奠定了理論基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，分別從一維和二維的角度分析了定常流動(dòng)中熒光油膜測(cè)量模型解的特性，結(jié)果表明:無論在一維還是二維情況下，熒光油膜解在特定條件下（即(6)τs/(6)t=0、(6)τs/(6)s=0且τs≠0）

4、具有相似特性，而在一般條件下則是準(zhǔn)自相似的，該結(jié)論為通過解序列融合以提高解算精度的方法提供了依據(jù)。接著以圖像處理技術(shù)為基本手段，探索了熒光油膜演化過程的定量測(cè)量方法，建立了全局表面摩擦應(yīng)力到平面圖像灰度變化的映射關(guān)系。針對(duì)測(cè)量結(jié)果拓?fù)浞治鲞^程中出現(xiàn)的可穿透邊界問題，引入可穿透邊界的指標(biāo)定理，并給出了具體的使用策略，從而克服了轉(zhuǎn)換點(diǎn)判斷困難的問題。
　　在算法研究方面，主要針對(duì)測(cè)量模型求解方法、優(yōu)化求解策略、解的融合策略以及投影標(biāo)定

5、四個(gè)問題展開。其中，為了解決測(cè)量模型求解過程中出現(xiàn)的孔徑問題，分別引入了基于最小二乘法的局部求解算法和基于變分技術(shù)的全局求解算法，并通過模擬熒光油膜演化圖像對(duì)以上兩種求解算法的可行性以及具體參數(shù)的選擇對(duì)解算結(jié)果的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。隨后，針對(duì)以上兩種求解方法在抗干擾性、求解速度和精度三方面存在的不足，提出了優(yōu)化求解算法。該優(yōu)化算法以穩(wěn)健性理論為基礎(chǔ)在求解模型中引入罰函數(shù)從而提高了解算結(jié)果對(duì)干擾的魯棒性，以金字塔迭代演化法為紐帶將局部求解

6、算法和全局求解算法融合在一起，使這兩種解算方法的優(yōu)勢(shì)得到充分利用從而提高了解算精度和速度。在解的融合策略研究上，根據(jù)定常流動(dòng)中“油膜演化”方程解的特點(diǎn)，進(jìn)行了沿時(shí)間軸的解序列的融合方法的研究，使測(cè)量出的全局表面摩擦應(yīng)力盡可能的獨(dú)立于油膜的初始狀態(tài)，進(jìn)一步提高了測(cè)量精度。在投影標(biāo)定算法研究上，引入了以直接線性變換(DLT)算法為基礎(chǔ)的優(yōu)化算法，從而消除了直接采用DLT算法時(shí)由于成像系統(tǒng)內(nèi)外參數(shù)間存在強(qiáng)烈的耦合關(guān)系而出現(xiàn)奇異解的問題。