在這里了解千眼狼最新動(dòng)態(tài)
1 技術(shù)背景
壓力場(chǎng)是描述流場(chǎng)中各空間點(diǎn)壓力大小的標(biāo)量分布函數(shù)，其空間變化（壓力梯度）反映流體微團(tuán)在分子熱運(yùn)動(dòng)與宏觀流動(dòng)相互作用下的動(dòng)量傳遞特性。
無(wú)論是飛行器的氣動(dòng)升力、船體結(jié)構(gòu)的載荷分析，還是心臟瓣膜的血流沖擊，壓力直接決定氣動(dòng)性能、結(jié)構(gòu)響應(yīng)與能量傳遞效率，故壓力測(cè)量在流體力學(xué)研究與工程實(shí)踐中尤為重要。
傳統(tǒng)接觸式壓力測(cè)量技術(shù)如壓力傳感器或掃描閥需開(kāi)孔，破壞壁面結(jié)構(gòu)擾動(dòng)流動(dòng)狀態(tài)，且只能獲得有限離散點(diǎn)壓力，無(wú)法捕獲復(fù)雜流場(chǎng)中的空間連續(xù)分布；基于“密度-折射-光學(xué)”的壓力反演非接觸式測(cè)量技術(shù)如Schlieren/Shadowgraph, BOS（背景紋影），以“密度變化”作為中間物理量，通過(guò)模型轉(zhuǎn)換為壓力，但測(cè)量對(duì)象局限于可壓縮性的氣體流場(chǎng)或特殊液流，且無(wú)法測(cè)量全場(chǎng)壓力。
中科君達(dá)視界工程師們基于自研的粒子圖像測(cè)速（PIV）系統(tǒng)測(cè)量的速度場(chǎng)，利用Navier-Stokes方程中壓力梯度項(xiàng)與速度場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，反演流場(chǎng)內(nèi)部全場(chǎng)壓力分布。
2 技術(shù)原理
粒子圖像測(cè)速（PIV）技術(shù)作為一種非接觸、全場(chǎng)、高空間分辨率的測(cè)量手段，為壓力場(chǎng)重構(gòu)提供理想的速度場(chǎng)輸入，速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)之間存在嚴(yán)格的物理聯(lián)系，即Navier-Stokes方程，對(duì)于不可壓縮流體，公式為：
通過(guò)對(duì)該方程取散度，并利用不可壓縮條件，可推導(dǎo)出關(guān)于壓力的泊松方程，方程表明壓力場(chǎng)與速度場(chǎng)的對(duì)流加速度散度直接相關(guān)。
因此，利用千眼狼粒子圖像測(cè)速（PIV）軟件RFlow4重構(gòu)步驟如下：
I. 基于PIV測(cè)量系統(tǒng)獲取瞬態(tài)速度場(chǎng) 。
II.利用測(cè)得的速度場(chǎng)計(jì)算泊松方程右邊的源項(xiàng)??[(μ ???)μ ?]，即流場(chǎng)的慣性力（對(duì)流加速度）。
III.設(shè)定適當(dāng)邊界條件，通過(guò)有限差分等數(shù)值方法求解泊松方程，獲得全場(chǎng)壓力分布。
3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)
中科君達(dá)視界算法工程師采用的基于粒子圖像測(cè)速（PIV）速度場(chǎng)反演的壓力場(chǎng)重構(gòu)技術(shù)，與基于“密度-折射-光學(xué)“的壓力反演技術(shù)相比，在適用性、易用性上具有差異化優(yōu)勢(shì)：
I.適用性：“密度-折射-光學(xué)“壓力反演技術(shù)適用范圍受限于流場(chǎng)能否產(chǎn)生可測(cè)量的折射率（密度）變化，因此主要應(yīng)用于可壓縮氣體或存在顯著密度梯度的特殊液流。基于粒子圖像測(cè)速（PIV）速度場(chǎng)反演技術(shù)，其物理基礎(chǔ)是流體的動(dòng)量守恒方程，不依賴(lài)于介質(zhì)可壓縮性，因此適用于不可壓縮流（如大多數(shù)水流）和可壓縮流，在液體流場(chǎng)壓力測(cè)量中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。
II.易用性：Schlieren/Shadowgraph密度-壓力反演技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)光路的搭建、校準(zhǔn)和環(huán)境穩(wěn)定性（抗振）要求苛刻，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和實(shí)施的難度較大。基于粒子圖像測(cè)速（PIV）速度場(chǎng)反演技術(shù)在數(shù)據(jù)采集階段依賴(lài)于成熟的PIV硬件系統(tǒng)（高速攝像機(jī)、激光器、同步器），操作流程標(biāo)準(zhǔn)化，易用性強(qiáng)。
4 技術(shù)實(shí)踐
為驗(yàn)證粒子圖像測(cè)速（PIV）速度場(chǎng)反演技術(shù)的有效性，千眼狼算法工程們開(kāi)展模擬船體入水砰擊壓力重構(gòu)實(shí)驗(yàn)，并與Fluent模擬的翼型繞流壓力場(chǎng)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證。
4.1 船體入水砰擊壓力重構(gòu)實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介：模擬船體以一定速度和攻角入水時(shí)，可產(chǎn)生瞬態(tài)砰擊壓力，是船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵載荷。通過(guò)千眼狼高速2D2C-PIV系統(tǒng)記錄入水初期流場(chǎng)（圖1），利用上述泊松方程方法重構(gòu)壓力場(chǎng)（圖2）。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果：PIV測(cè)量的速度場(chǎng)顯示射流的形成，以及接觸線的快速移動(dòng)和流場(chǎng)突變；通過(guò)壓力場(chǎng)重構(gòu)，通過(guò)追蹤高壓區(qū)的移動(dòng)和變化，顯示高壓區(qū)始終集中于射流根部，即水域船底的接觸點(diǎn)附近，并隨接觸線的移動(dòng)而移動(dòng)。
圖1 高速2D2C-PIV記錄的初期流場(chǎng)
圖2 PIV測(cè)量的速度場(chǎng)反演的壓力場(chǎng)
4.2 與Fluent模擬的翼型繞流壓力場(chǎng)對(duì)比
為驗(yàn)證粒子圖像測(cè)速（PIV）重構(gòu)壓力場(chǎng)的可靠性，千眼狼算法工程師們將結(jié)果與專(zhuān)業(yè)CFD軟件Fluent的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比如下。
驗(yàn)證方法：將Fluent軟件計(jì)算得到的翼型繞流速度場(chǎng)（圖3）導(dǎo)入千眼狼PIV軟件RFlow進(jìn)行壓力重構(gòu)，然后將重構(gòu)結(jié)果（圖4）與仿真的原始?jí)毫?chǎng)數(shù)據(jù)（圖5）進(jìn)行比對(duì)。
驗(yàn)證結(jié)果：Fluent仿真與PIV重構(gòu)的壓力場(chǎng)在整體結(jié)構(gòu)上高度吻合，兩者都清晰顯示了翼型前緣的高壓區(qū)（紅色）、吸力面的低壓區(qū)（藍(lán)色）和后緣壓力恢復(fù)區(qū)。
圖3 Fluent軟件計(jì)算得到的翼型繞流速度場(chǎng)
5 結(jié)論
I. 基于粒子圖像測(cè)速（PIV）速度場(chǎng)反演的壓力場(chǎng)重構(gòu)技術(shù)通過(guò)“運(yùn)動(dòng)-加速度-N-S方程”求解壓力，依賴(lài)標(biāo)準(zhǔn)流程的PIV實(shí)驗(yàn)，適用于氣體與液體兩種介質(zhì)；且得益于千眼狼自研的PIV高速攝像機(jī)采集，PIV反演技術(shù)亦適用于低速與中高速流動(dòng)場(chǎng)景，相較于密度光學(xué)的壓力反演技術(shù)，更具有工程應(yīng)用前景。
II. 粒子圖像測(cè)速（PIV）速度場(chǎng)反演的壓力場(chǎng)重構(gòu)技術(shù)可為CFD建模提供物理實(shí)證基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，尤其在分離流、湍流、空化、渦脫落等CFD難以模擬的復(fù)雜流動(dòng)場(chǎng)景上更具應(yīng)用價(jià)值。
III. 隨著千眼狼高速攝像機(jī)時(shí)序采樣能力進(jìn)一步提高，PIV壓力場(chǎng)重構(gòu)技術(shù)的適用性亦將進(jìn)一步提升，在航空航天、船舶工程、能源裝備、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域迎來(lái)更廣闊的應(yīng)用。
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