全局表面摩擦應(yīng)力直接測量技術(shù)研究.pdf

1、邊界層研究是空氣動力學(xué)（流體力學(xué)）最重要的研究課題之一，而表面摩擦應(yīng)力對于描述湍流邊界層的狀態(tài)也是一個重要的物理量。但是無論是對于計算流體力學(xué)還是實驗流體力學(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，無論是考核湍流的理論研究（例如模式理論）還是檢驗數(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)力測量技術(shù)，在直接和間接測量分類基礎(chǔ)上，進一步引入“傳感器技

2、術(shù)”和“空間尺度”兩個維度對表面摩擦應(yīng)力測量技術(shù)進行了系統(tǒng)分析。分析表明，在眾多表面摩擦應(yīng)力測量方法中“全局表面摩擦應(yīng)力直接測量方法”在精度和空間分辨率方面具有明顯優(yōu)勢，但其具體實現(xiàn)和解算卻存在著諸多困難。在對比現(xiàn)有全局表面摩擦應(yīng)力直接測量方法后，本文引入了一種以熒光油膜為基本測量手段的新方案，并將其作為研究對象。研究通過理論分析、算法研究以及實驗研究相結(jié)合的方法進行。
　　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度變化與其運動過程的內(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)力測量模型，并詳細分析了該測量模型的簡化過程，為定量測量全局表面摩擦應(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中熒光油膜測量模型解的特性，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。針對測量結(jié)果拓撲分析過程中出現(xiàn)的可穿透邊界問題，引入可穿透邊界的指標定理，并給出了具體的使用策略，從而克服了轉(zhuǎn)換點判斷困難的問題。
　　在算法研究方面，主要針對測量模型求解方法、優(yōu)化求解策略、解的融合策略以及投影標定

5、四個問題展開。其中，為了解決測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以上兩種求解算法的可行性以及具體參數(shù)的選擇對解算結(jié)果的影響進行了試驗研究。隨后，針對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)定常流動中“油膜演化”方程解的特點，進行了沿時間軸的解序列的融合方法的研究，使測量出的全局表面摩擦應(yīng)力盡可能的獨立于油膜的初始狀態(tài)，進一步提高了測量精度。在投影標定算法研究上，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算法時由于成像系統(tǒng)內(nèi)外參數(shù)間存在強烈的耦合關(guān)系而出現(xiàn)奇異解的問題。