本发明涉及航空航天技术领域，尤其是涉及一种判断流场状态信息的方法。
背景技术：
边界层转捩是边界层流动从层流状态发展为湍流状态的过程，是一个多因素耦合影响的强非线性复杂流动物理现象。层流流动和湍流流动存在巨大的差别，如湍流摩阻和热流通常是层流的3-5倍。转捩现象对飞行器设计有非常重要的影响，一方面湍流能抑制流动分离，增强流体掺混，可以用于提高燃烧效率，提高发动机性能；另一方面湍流导致摩阻和热流增加，产生气动光学效应，降低飞行器稳定性。流场转捩与否对飞行器性能有很大的影响，有时甚至会导致灾难性的后果。
转捩问题是经典力学遗留的少数基础科学问题之一，现有技术中无法准确地预测转捩位置。因此，目前缺乏一种准确可靠的判断流场状态信息的方法，来精确预测和测量转捩位置。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种判断流场状态信息的方法，该方法能够准确可靠的判断流场转捩，精确测量转捩位置。
第一方面，本发明实施例提供了一种判断流场状态信息的方法，包括：
形成边界层流场；
获取脉冲光束经过边界层流场后形成的纹影图像；
根据所述纹影图像判断流场是否发生转捩。
进一步地，所述方法还包括：
获取边界层流场内的脉动压力信号；
根据所述脉动压力信号判断流场是否发生转捩。
第二方面，本发明提供了一种判断流场状态信息的系统，包括：
流场形成子系统，用于形成边界层流场；
纹影图像子系统，用于获取脉冲光束经过边界层流场后形成的纹影图像；
判断子系统，用于根据所述纹影图像判断流场是否发生转捩。
进一步地，所述系统还包括：
压力信号子系统，用于获取边界层流场内的脉动压力信号；
判断子系统，用于根据所述脉动压力信号判断流场是否发生转捩。
第三方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，包括：一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序用于：执行上述的判断流场状态信息的方法。
有益效果：
本发明的技术方案通过形成边界层流场，进而获取脉冲光束经过边界层流场后形成的纹影图像，根据所述纹影图像判断流场是否发生转捩，能够准确可靠的判断流场转捩，精确测量转捩位置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种实施例的判断流场状态信息的方法的流程图；
图2为本发明另一种实施例的判断流场状态信息的方法的流程图；
图3为本发明一种实施例的判断流场状态信息的系统的结构示意图；
图4为本发明另一种实施例的判断流场状态信息的系统的结构示意图；
图5为本发明纹影图像子系统的一种实施例的结构示意图；
图6为本发明纹影图像子系统的一种实施例的具体结构示意图；
图7为本发明一种实施例中采用所述纹影图像子系统采集到的边界层纹影图像：
图8为本发明一种实施例中同一次试验中不同时刻的纹影图像中提取出的边界层边界曲线；
图9为本发明一种实施例中高频脉动压力采集系统判断转捩的流程图；
图10为没有边界层流场时测量的脉动压力的功率谱信息；
图11为马赫数ma＝4的边界层流场中脉动压力的功率谱信息。
附图标记说明：
图中，20、流场形成子系统；201、风动试验段；202、平板试验模型；40、纹影图像子系统；401、光源模块；402、图像采集模块；409、扩束镜；410、第一反射镜；414、第二反射镜；411、第一凹面镜；413、第二凹面镜；412、第一反射镜筒；415、刀口；402、图像采集模块；417、第二反射镜筒；50、压力信号子系统；501、高频脉动压力传感器；502、脉动压力信号采集模块；60、判断子系统。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"内"、"外"、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或系统必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在相关技术中，由于转捩过程存在多种形式，外界扰动影响机制复杂，理论分析没有有效的数学工具，数值模拟缺乏足够可靠的物理模型，都无法准确地预测转捩位置。目前风洞试验方法是较为行之有效的转捩预测和测量方法，热流是常用的转捩判断方法，但热流测量的不确定度很高，测量位置不准确；流场显示方法通过流场结构反映流场状态，但其依赖于人的主观判断，存在一定的偏差。因此，目前缺乏一种准确可靠的判断流场状态信息的方法，来精确预测和测量转捩位置，反映流场状态信息。
图1示出了本发明一种实施例的判断流场状态信息的方法的流程图，如图1所示,所述判断流场状态信息的方法，包括：
s20、形成边界层流场；
s40、获取脉冲光束所述经过边界层流场后形成的纹影图像；
s60、根据所述纹影图像判断流场是否发生转捩。
本发明的技术方案通过形成边界层流场，进而获取脉冲光束经过边界层流场后形成的纹影图像，根据所述纹影图像判断流场是否发生转捩，能够准确可靠的判断流场转捩，精确测量转捩位置。
上述方案中，形成边界层的流场的方式并不做限定，脉冲光束可以由光源发出，此脉冲光束例如可以为平面脉冲光束，进而获取脉冲光束经过边界层流场后形成的纹影图像，最后根据所述纹影图像判断流场是否发生转捩，例如可以通过数据处理计算机对所属文影图像进行处理，例如通过边界层流场的厚度、增长率和边界形状等判断流场的状态，边界层发生转捩时边界层厚度显著增加，增长率增大，边界形状出现波浪形结构。
图2示出了本发明另一种实施例的一种判断流场状态信息的方法，在上述方法的基础上还增加了步骤：
s50、获取边界层流场内的脉动压力信号；
s70、根据所述脉动压力信号判断流场是否发生转捩。
边界层发生转捩时，流场内的脉动压力的特征频率及其能量都会发生明显的变化，可以通过脉动压力信号特征进行边界层的转捩判断。
本实施例中，通过纹影图像可以从边界层结构和厚度来判断流场状态；进一步测量边界层的脉动频率，通过脉动压力信号的特征频率判断流场是否发生转捩。由于同时获得流场的文影图像和脉动压力信号的特征频率，相互补充和验证，综合判断边界层转捩情况，测量精度进一步地提高，且纹影系统为非接触式流场测量手段，没有引入外部干扰，可以清楚地显示边界层流场的流动状态。获取高频脉动压力信号的特征频率的过程中也几乎不会引入干扰，测量精度高，转捩判断清晰明确。
图3示出了本发明一种实施例的判断流场状态信息的系统的结构示意图，图5示出了图3中判断流场状态信息的系统的具体结构示意图，如图3和图5所示，所述判断流场状态信息的系统，包括：
流场形成子系统20，用于形成边界层流场；
具体地，所述流场形成子系统20包括，风动试验段201，所述风动试验段201内设有平板试验模型202，以形成边界层流场。
纹影图像子系统40，用于获取脉冲光束经过边界层流场后形成的纹影图像；
具体地，如图5所示，所述纹影图像子系统40包括光源模块401、图像采集模块402，其中，所述光源模块401用于发出平面脉冲光束，所述图像采集模块402用于接收所述光源模块401发出的平面脉冲光束经过边界层流场后形成的纹影图像。
更具体地，如图6所示，所述纹影图像子系统40包括，光源模块401，扩束镜409、第一反射镜410和第二反射镜414、第一凹面镜411和第二凹面镜413、第一反射镜筒412、刀口415和图像采集模块402，所述光源模块401发出脉冲激光光束，所述扩束镜409位于凹面镜411的焦点位置，所述脉冲激光光束通过扩束镜409后发散，并经过第一反射镜410和第一凹面镜411后变为平行光，平行光经过边界层流场后进入另一侧的第二反射镜筒417，经过第二凹面镜413和第二发射镜414反射并会聚，刀口415位于第二凹面镜413的焦点位置，通过调整刀口415切割焦点的深度，流场中密度梯度不同的区域由于刀口415的遮挡将出现明暗变化，图像采集模块402采集边界层流场纹影图像，从图像中的明暗变化反映流场的密度分布情况。
判断子系统60，用于根据所述纹影图像判断流场是否发生转捩。
具体地，所述判断子系统60为数据处理计算机，用于处理所述纹影图像。通过边界层流场的厚度、增长率和边界形状等判断流场的状态，边界层发生转捩时边界层厚度显著增加，增长率增大，边界形状出现波浪形结构。
图4示出了本发明实施例的另一种判断流场状态信息的系统，在上述系统的基础上增加了包括：
压力信号子系统50，用于获取边界层流场内的脉动压力信号；
具体地，所述压力信号子系统50包括，至少一个高频脉动压力传感器501，脉动压力信号采集模块502，判断子系统60为数据处理计算机，根据所述脉动压力信号判断流场是否发生转捩。
本实施例通过观测边界层的流场结构，通过纹影图像可以从边界层结构和厚度来判断流场状态；进一步测量边界层的脉动频率，通过脉动压力信号的特征频率判断流场是否发生转捩。由于同时获得流场的文影图像和脉动压力信号的特征频率，相互补充和验证，综合判断边界层转捩情况，测量精度进一步地提高，且纹影系统为非接触式流场测量手段，没有引入外部干扰，可以清楚地显示边界层流场的流动状态。获取高频脉动压力信号的特征频率的过程中也几乎不会引入干扰，测量精度高，转捩判断清晰明确。
在一可选实施例中，所述光源模块8为高能nd:yag脉冲激光器，脉冲波长为532nm，平均功率200mw，脉冲能量>35μj，脉冲宽度10-25ns。脉冲激光器的脉冲频率最高可达10khz，保证了试验满足泰勒冻流假设要求，能够照亮高速瞬态边界层流场。
在一可选实施例中，所述图像采集模块16包括滤光片、高速相机和图像采集卡，所述滤光片用于过滤杂光，提高成像质量，所述高速相机用于采集所述边界层流场纹影图像，所述图像采集卡用于存储所述边界层流场纹影图像。所述高速相机优选cmos相机，在保证图像亮度的条件下采样频率可达2000hz。本实施例所述图像采集模块可以保证试验中获得边界层流场的密度分布图像。
下面以一较优的实施方式，对本发明的有益效果作出具体说明：
如图5所示，本发明实施例的一种判断流场状态信息的系统包括：风洞试验段201、平板试验模型202、高频脉动压力传感器501、脉动压力采集系统502、光源模块401、图像采集模块402和数据处理计算机60。所述平板试验模型202安装在风洞试验段201内，用于形成边界层流场，所述若干个高频脉动压力传感器501安装在平板试验模型202中，用于测量边界层流场内的脉动压力信号，所述脉动压力采集模块502用于采集和记录所述脉动压力信号，所述光源模块401用于发出平面脉冲光束，所述图像采集模块402用于接收所述光源模块401发出的平面脉冲光束经过边界层流场后形成的纹影图像，所述数据处理计算机60用于计算和处理所述脉动压力信号和纹影图像。
以马赫数ma＝4的边界层流场为例，图7为采用所述纹影图像子系统采集到的边界层纹影图像：
边界层的厚度沿着流向逐渐增加，图7中亮线为提取的边界层边界曲线，可以看出边界层前期边界为平整的直线，而到后期逐渐出现波浪外形，说明边界层逐渐开展转捩。
图8为同一次试验中不同时刻的纹影图像中提取出的边界层边界曲线，可以看出在图中a位置边界层厚度的增长曲率发生明显的增大，该点即为转捩起始点。
图9为高频脉动压力采集系统判断转捩的流程图，高频脉动压力传感器以20-50mm的间隔沿流向安装在平板试验模型中，高频脉动压力传感器直径大于2mm，不会对边界层流场产生干扰。高频脉动压力传感器测量到的边界层脉动压力信号经过调理器整形滤波调理，再通过采集器采集并存储在存储系统中，然后在信号处理系统中进行处理，经过频谱分析获得信号的频率域信息，通过特征识别获得信号中的特征频率及其能量，再通过模态分析将特征频率与转捩理论模态进行对比，判断该位置的流场是否发生转捩。
对于上述的马赫数ma＝4的边界层流场，图10为没有边界层流场时测量的脉动压力的功率谱信息，此时脉动压力的频率主要集中的低频部分，即试验段内的低频噪声。
图11为马赫数ma＝4的边界层流场中脉动压力的功率谱信息，此时脉动压力的频率出现多个高频峰值，捕捉到了mack第二模态(频率为122khz)，且简谐频率的功率谱密度增大了近千倍(从10-4w/hz到10-1w/hz)，表明边界层流场处于转捩区域。
作为另一方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中判断流场状态信息的系统中所包含的计算机可读存储介质；也可以是单独存在，未装配入电子设备中的计算机可读存储介质。计算机可读存储介质存储有一个或者一个以上程序，所述程序被一个或者一个以上的处理器用来执行描述于本申请的判断流场状态信息的方法。
附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
1.一种判断流场状态信息的方法，其特征在于，包括：
形成边界层流场；
获取脉冲光束经过所述边界层流场后形成的纹影图像；
根据所述纹影图像判断流场是否发生转捩。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
获取边界层流场内的脉动压力信号；
根据所述脉动压力信号判断流场是否发生转捩。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据所述纹影图像判断流场是否发生转捩，包括：根据纹影图像中流场的厚度、增长率和边界形状判断流场是否发生转捩。
4.一种判断流场状态信息的系统，其特征在于，包括：
流场形成子系统，用于形成边界层流场；
纹影图像子系统，用于获取脉冲光束经过边界层流场后形成的纹影图像；
判断子系统，用于根据所述纹影图像判断流场是否发生转捩。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
压力信号子系统，用于获取边界层流场内的脉动压力信号；
判断子系统，用于根据所述脉动压力信号判断流场是否发生转捩。
6.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于，所述流场形成子系统包括：风动试验段，所述风动试验段内设有平板试验模型。
7.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于，所述纹影图像子系统包括：
纹影光源系统，用于发出平面脉冲光束；
纹影采集系统，用于获取所述脉冲光束经过边界层流场后形成的纹影图像。
8.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述压力信号子系统包括至少一个高频脉动压力传感器，所述高频脉动压力传感器安装在平板试验模型中。
9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述判断子系统为数据处理计算机，所述数据处理计算机用于计算所述脉动压力信号和处理所述纹影图像。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序用于：执行权利要求1-3任一项所述的判断流场状态信息的方法。
技术总结