基于任意三維邊界識別的復雜固體邊界流場三維PIV測試技術研究.pdf

1、在許多自然界和工程領域的研究中，流固耦合現(xiàn)象十分常見，例如魚在游動時改變自身形態(tài)來減小運動阻力、航空發(fā)動機內葉柵和高溫氣體發(fā)生劇烈耦合振動現(xiàn)象等，精確測量復雜固體壁面附近的三維速度場，尤其是流固耦合實驗研究中同步測量獲取三維流場信息和固體結構的運動/變形特征，是剖析和解決這些復雜流動現(xiàn)象物理本質的關鍵。激光粒子圖像測速技術（Particle Image Velocimetry，簡稱PIV）由于具有可視化、全場性和非接觸測量等優(yōu)點，目前被

2、廣泛應用于流場實驗測量研究中。然而，傳統(tǒng)二維PIV技術由于不能準確區(qū)別流固耦合實驗中的固體邊界和示蹤粒子，導致在固體邊界附近區(qū)域的PIV計算中不能精確地劃分互相關窗口，從而增大了這些區(qū)域速度場的計算誤差。另外，在流固耦合問題的實驗研究中，流體和固體的交界面其實是任意運動變形的三維邊界，但是目前針對PIV測量中三維復雜邊界的識別算法還不完善。因此，為了給復雜固體邊界近壁流場以及進一步研究復雜的流固耦合問題提供實驗方法，本文提出了一種精確測

3、量任意三維物體邊界的邊界識別算法，該算法能夠識別近壁流場測量中任意三維物體的邊界信息；并同時應用了基于 MLOS-SMART（Multiplicative Line Of Sight-Simultaneous Multiplicative Algebraic Reconstruction Techniques）三維粒子場重構及三維互相關算法的層析PIV算法計算近壁附近的三維速度矢量場，最終同步獲取了三維物體結構的邊界特征和近壁三維瞬態(tài)流

4、場。
　　首先，作者為了識別近壁流場中三維物體的復雜曲面邊界，提出了基于SURF（Speeded Up Robust Features，加速穩(wěn)健特征）模式識別算法的三維邊界識別算法：（1）提取兩張不同視角圖像上具有顯著特征的關鍵點，并對關鍵點進行特征描述，再利用最近鄰匹配算法和對極線限制準則對關鍵點的特征描述進行準確匹配；（2）根據相機系統(tǒng)的標定矩陣基于三角化方法重構匹配對，得到空間點云分布，再利用Delaunay triangu

5、lation三角剖分算法對空間點云進行曲面重構，從而獲得空間三維復雜曲面的幾何形態(tài)。然后，采用雙相機布置方式獲取了三種已知不同曲率的圓柱曲面圖像，經過了系統(tǒng)的驗證分析，證明了本文所提出的三維邊界識別算法的準確性。
　　此外，本文還利用計算流體力學（CFD）方法計算的近壁圓柱繞流三維速度場，并結合四相機標定矩陣，數(shù)字合成了四組層析PIV粒子圖像序列對，將提出的新算法應用于此數(shù)字合成PIV圖像，最終獲得了圓柱邊界的三維形態(tài)以及邊界附近