基于PIV的压力场重构技术

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• 论文作者：王中一 ; 王成跃 ; 高琪 ; 王晋军
• 年：2016
• 作者机构：北京航空航天大学流体力学教育部重点实验室;
• 论文关键词：PIV ; 压力场重构 ; 压力积分方法 ; 虚拟粒子追踪 ; 无旋修正
• 会议召开时间：2016-10-20
• 会议录名称：第九届全国流体力学学术会议论文摘要集
• 语种：中文
• 分类号：O35
• 学会代码：AGLU
• 会议名称：第九届全国流体力学学术会议
• 会议地点：中国江苏南京
• 主办单位：中国力学学会流体力学专业委员会
• 学会名称：中国力学学会
• 页数：1
• 文件大小：53k
• 原文格式：O
• 会议级别：全国

摘要

时间解析的PIV技术可以测量流场的二维或三维速度场,通过速度场进一步求解流体力学控制方程Navier-Stokes(N-S)方程可以得到与速度场的加速度场及流场压力场信息。对压力场的重构主要分为两个步骤:采用欧拉法或拉格朗日法由速度场求解加速度场(即压力梯度场);采用直接空间路径积分法或求解Poisson方程法得到压力场。由于实验测量得到的速度场存在误差,压力场重构精度会受到很大影响。已有研究表明,相比于欧拉法,拉格朗日法对噪声的敏感程度更低。现有直接空间路径积分法主要集中于二维问题,其在三维问题的应用尚存在计算精度及计算效率的限制。本研究在已有压力场重构技术的基础上,针对压力场重构的不同环节分别提出了一系列优化技术:(a)通过多项式拟合迭代求解的虚拟粒子追踪法用于加速度场的计算。该虚拟粒子追踪法在已有伪追踪方法的基础上通过引入多项式拟合,将多个时刻的速度场信息联系起来,增强了对较强噪声的抑制作用和算法的鲁棒性,减小了加速度场计算过程中的不确定度。同时,给出了虚拟粒子追踪计算加速度场的参数选择准则,用于进一步提高加速度场计算精度。(b)对压力梯度场进行无旋修正及正交路径积分的方法用于积分求解压力场,大大提高了压力场重构的精度。该无旋修正技术用于对计算得到的压力梯度场施加物理约束,通过将压力梯度场向一组无旋空间的标准正交基上进行投影,获取满足无旋条件的压力梯度场,并采用正交路径快速积分求取压力场。在人工拟合的刚体旋转流场和三维DNS流场上的测试均表明,新方法提高了现有压力场重构技术的精度,并适合向三维流场扩展,提高了该技术的适用性。(c)根据结构化网格梯度算子的特点,提出一种快速的直接压力积分方法。该方法首先将压力梯度算子分解成三个方向的求导算子的矢量积,然后利用三个一维的求导算子特征值分解的结果对梯度算子求逆,极大的提高了计算效率。对于一般的100×i00×20速度矢量的三维速度场,积分时间仅需0.1s,压力积分效率远远超过一般的求解方法。此外,该方法对内存的消耗很小,使得该快速积分方法具有非常重要的使用价值。

引文