任意运动变形边界流场测量PIV算法的研究

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流体与固体共存的流固耦合系统在日常生活和工程实践中不可避免,流固耦合系统在动力机械、仿生机械、海岸石油、核电等领域都有广泛的应用,具有重要研究意义。在流固耦合问题的实验研究中,流体与固体交界面的运动特征以及边界附近的流场流动细节对该问题物理本质的分析至关重要。然而,流固耦合问题中通常存在任意运动变形的边界,并且由于流固耦合问题本身的复杂性,边界运动规律不可预知,这对流固耦合的实验研究形成巨大挑战。本文提出了一种将激光粒子图像测速(PIV)技术应用于任意运动变形边界流固耦合实验测量的PIV算法,基于Radon变换通过滑动识别窗口来智能识别任意运动边界,在动边界附近利用贴体自适应互相关计算窗口,计算获取运动变形边界附近的速度场数据。
　　首先,作者根据任意运动变形边界在PIV粒子图片中的成像特点,提出了基于Radon变换的滑动窗口智能边界识别算法。采用不同信噪比的数字合成粒子图片,测试了边界识别算法的窗口尺寸依赖性、识别精确性等性能。并将智能边界识别算法应用于TR-PIV系统获得的粒子图片序列,得到了柔性薄膜在钝体尾流激励作用下的时间位移曲线,基于TR-PIV的原始数据获得了柔性薄膜在钝体尾流涡激激励下的运动规律。然后,基于数字图像处理识别出的边界信息,生成贴体自适应互相关计算窗口计算速度矢量,克服了传统PIV处理动边界流场测量问题的缺点,提高了动边界附近流场测量的精度。采用CFD计算生成标准流场,对采用本文PIV算法计算得到的速度场结果进行了数值验证。
　　此外,本文对低速闭式循环水洞中的钝体尾流柔性薄膜涡激振动现象进行了PIV实验测量,成功地将本文提出的任意运动边界流场测量PIV算法应用于该实验,获得了柔性薄膜大变形运动状态下的结构响应和瞬态流场特征。利用本文的PIV算法实现了结构动态响应、流场流动特征的耦合物理场同步测量,得到了钝体尾流与弹性结构这类具有任意运动边界的流固耦合问题高质量PIV实验数据。

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作者
曹洪才;
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作者单位

上海交通大学;

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授予单位上海交通大学;
学科动力机械及工程
授予学位硕士
导师姓名刘应征;
年度 2014
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类 TP391.41;
关键词
任意运动边界; 涡激振动; 粒子图像测速; 流固耦合; 边界识别; 贴体自适应互相关窗口;

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