【摘要 如何提高壁面摩擦阻力的测量精度, 一直是困扰空气动力学研究人员的难题. 最近的一项研究采用单像素系综相关方法得到高分辨率的近壁区平均速度型, 由此计算湍流运动引起的壁面摩阻, 比传统方法提高精度一个量级, 为高精度摩阻测量提供了新的选择. 该研究发表于《中国科学: 物理学力学天文学》英文版第57卷第7期. 】

最近的一项研究采用单像素系综相关方法, 显著提高了PIV中近壁区速度测量的可靠性和空间分辨率, 从而达到了精确测量壁面摩阻的目的.

这篇名为“Accurate measurement of wall skin friction by single-pixel ensemble correlation”的研究论文发表于《中国科学: 物理学力学天文学》第57卷第7期, 提出了基于单像素系综相关的壁面摩阻精确测量方法并对其进行误差分析, 由北京航空航天大学航空科学与工程学院潘翀博士担任通讯作者撰写.

壁面摩阻是研究边界层转捩和流动分离等复杂流动的基本参数, 也是检验流动控制技术是否有效的重要标准, 因此, 准确测量壁面摩阻在理论研究与工程应用中都有重要的意义. 传统的壁面摩阻测量技术或是干扰流场, 或是难以校准, 影响了测量的可靠性和准确性. 相比之下, 直接根据壁面切应力τ_w的定义来测量摩阻更为可靠, 而这就需要提高近壁区速度型的解析精度.

该研究借助于单像素系综相关方法来解决PIV测量中传统的基于窗口相关的方法所面临的空间分辨率不足的问题, 进而提高壁面摩阻的测量精度. 该研究的创新之处在于利用合成粒子图像(如图1)分析了不同粒子参数对单像素系综相关方法速度估算精度的影响, 并推导出了参数优化策略. 研究表明：有效粒子数是决定速度估算不确定度的主要参数, 并进一步影响到壁面摩阻测量的不确定度, 减少单像素系综相关方法不确定度的首要途径是尽可能增加有效粒子数；而在给定样本空间大小和粒子播撒浓度的情况下, 粒子的“最优”直径约为3~4pix. 进一步对壁湍流的壁面摩阻测量进行精度分析, 结果显示：单像素系综相关方法凭借在近壁区速度测量的可靠性和空间分辨率上的优势, 其壁面摩擦系数的相对误差比窗口相关方法小一个量级(如图2).

图1  定常近壁区流场的合成粒子图像示例图

图2  单像素系综相关方法和窗口相关方法的壁面摩擦系数相对误差︱e_cf︱随样本空间大小N_f的变化

该研究验证了单像素系综相关方法在PIV中精确测量壁面摩阻的可行性. 单像素系综相关方法具有非接触、可实时测量的优点, 并且有较高的可靠性和测量精度, 因此对于壁面摩阻的精确测量具有重要的应用价值.

研究得到了国家自然科学基金资助项目(批准号: 11327202, 11372001)资助.

来源论文：

SHEN JunQi, PAN Chong, WANG JinJun. Accurate measurement of wall skin friction by single-pixel ensemble correlation. SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, 2014, 57: 1352-1362

论文链接：http://phys.scichina.com:8083/sciGe/EN/abstract/abstract508944.shtml