基于光流算法的粒子图像测速技术研究与应用

Comprehending the space structure of fluid motion and acquiring the flow information of full field is the key to solve many aerodynamics difficult questions. Particle image velocimetry based on optical flow is a new developed experiment test technique of fluid dynamics, and possesses characteristics of wide application area, high space resolution and high test precision. This project will develop the particle image velocimetry based on optical flow and apply it in aerodynamics experiment. This project will constitute scalar image(optical flow image) acquisition system, image calibration system and image processing system. Through the scalar conservation equation combined with constraint conditions, this project will extract velocity field from the information of calibrated scalar fields by using integral minimization approach and variational approach. This project will achieve the ability of providing accurate, pixel scaled velocity field for aerocraft wind tunnel test. This project will provide a new test technique for the domestic aerodynamics research, and optical flow test technique can be applied in turbulence research, flow control, drag and noise reduction.

全面了解流体运动的空间结构，获取全场流动信息是解决空气动力学许多疑难问题的关键。基于光流算法的粒子图像测速技术是一项新发展起来的实验流体力学测试技术，具有应用领域宽、空间分辨率高、测量精度高等特点。本项目将进行基于光流算法的粒子图像测速技术研究，并应用于空气动力学试验。本项目建立标量场（光流场）采集系统、图像校正系统和图像处理系统，通过标量场守恒方程余项，结合约束项，以最小化积分的方法和变分的方法，从经过校准的标量场信息中获取速度场。本项目最终将建立风洞实验速度场精细测量手段，形成为飞行器气动实验提供测量精确并具有像素量级空间分辨率的速度场测量技术，为国内空气动力学研究提供一个新的测试技术手段，在湍流研究、流动控制、减阻降噪等气动研究中得到应用。

全面了解流体运动的空间结构，获取全场流动信息是解决空气动力学许多疑难问题的关键。基于光流算法的粒子图像测速技术是一项新发展起来的实验流体力学测试技术，具有应用领域宽、空间分辨率高、测量精度高等特点。本项目首先通过标量场守恒方程余项，结合约束项，以最小化积分的方法和变分的方法，从经过校准的标量场信息中获取速度场。然后通过三种典型的人工位移图像对光流计算程序进行了验证，并将结果和标准位移分布进行比对分析，以指导如何在实际应用中获得高精度光流速度场。据此完成硬件系统调研与集成，在小型低速风洞中采用高分辨率光流速度场测量方法获取低雷诺数下NACA0012翼型尾流场涡结构演化特性，最大采样频率达到10000Hz。为了扩展光流速度场测量技术应用，将该技术应用于低速平板边界层测量，获取高分辨率低速水洞平板及小肋沟槽表面边界层光流场结果，内区速度型相对PIV结果更符合理论分布。本项目建立风洞实验速度场精细测量手段，形成为飞行器气动实验提供测量精确并具有像素量级空间分辨率的速度场测量技术, 为国内空气动力学研究提供一个新的测试技术手段，在湍流研究、流动控制、减阻降噪等气动研究中得到应用。