基于任意三維邊界識(shí)別的復(fù)雜固體邊界流場三維PIV測試技術(shù)研究.pdf

1、在許多自然界和工程領(lǐng)域的研究中，流固耦合現(xiàn)象十分常見，例如魚在游動(dòng)時(shí)改變自身形態(tài)來減小運(yùn)動(dòng)阻力、航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)葉柵和高溫氣體發(fā)生劇烈耦合振動(dòng)現(xiàn)象等，精確測量復(fù)雜固體壁面附近的三維速度場，尤其是流固耦合實(shí)驗(yàn)研究中同步測量獲取三維流場信息和固體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)/變形特征，是剖析和解決這些復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象物理本質(zhì)的關(guān)鍵。激光粒子圖像測速技術(shù)（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(diǎn)，目前被

2、廣泛應(yīng)用于流場實(shí)驗(yàn)測量研究中。然而，傳統(tǒng)二維PIV技術(shù)由于不能準(zhǔn)確區(qū)別流固耦合實(shí)驗(yàn)中的固體邊界和示蹤粒子，導(dǎo)致在固體邊界附近區(qū)域的PIV計(jì)算中不能精確地劃分互相關(guān)窗口，從而增大了這些區(qū)域速度場的計(jì)算誤差。另外，在流固耦合問題的實(shí)驗(yàn)研究中，流體和固體的交界面其實(shí)是任意運(yùn)動(dòng)變形的三維邊界，但是目前針對(duì)PIV測量中三維復(fù)雜邊界的識(shí)別算法還不完善。因此，為了給復(fù)雜固體邊界近壁流場以及進(jìn)一步研究復(fù)雜的流固耦合問題提供實(shí)驗(yàn)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(shí)別算法，該算法能夠識(shí)別近壁流場測量中任意三維物體的邊界信息；并同時(shí)應(yīng)用了基于 MLOS-SMART（Multiplicative Line Of Sight-Simultaneous Multiplicative Algebraic Reconstruction Techniques）三維粒子場重構(gòu)及三維互相關(guān)算法的層析PIV算法計(jì)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(jié)構(gòu)的邊界特征和近壁三維瞬態(tài)流

4、場。
　　首先，作者為了識(shí)別近壁流場中三維物體的復(fù)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(shí)別算法的三維邊界識(shí)別算法：（1）提取兩張不同視角圖像上具有顯著特征的關(guān)鍵點(diǎn)，并對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行特征描述，再利用最近鄰匹配算法和對(duì)極線限制準(zhǔn)則對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)的特征描述進(jìn)行準(zhǔn)確匹配；（2）根據(jù)相機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)定矩陣基于三角化方法重構(gòu)匹配對(duì)，得到空間點(diǎn)云分布，再利用Delaunay triangu

5、lation三角剖分算法對(duì)空間點(diǎn)云進(jìn)行曲面重構(gòu)，從而獲得空間三維復(fù)雜曲面的幾何形態(tài)。然后，采用雙相機(jī)布置方式獲取了三種已知不同曲率的圓柱曲面圖像，經(jīng)過了系統(tǒng)的驗(yàn)證分析，證明了本文所提出的三維邊界識(shí)別算法的準(zhǔn)確性。
　　此外，本文還利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法計(jì)算的近壁圓柱繞流三維速度場，并結(jié)合四相機(jī)標(biāo)定矩陣，數(shù)字合成了四組層析PIV粒子圖像序列對(duì)，將提出的新算法應(yīng)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