氣動(dòng)彈性結(jié)合了空氣動(dòng)力學(xué)和固體力學(xué)，是一門跨學(xué)科的問(wèn)題。在高層建筑和航空航天的工程應(yīng)用中都是極其重要的問(wèn)題。在沿海地區(qū)，大風(fēng)天氣下的大跨度橋梁與高層建筑都會(huì)產(chǎn)生氣流引起的振動(dòng)。在航空航天科學(xué)中，氣動(dòng)彈性的問(wèn)題就更加突出，由于飛行器的高速飛行，其控制舵面由于高速氣流甚至激波的脈動(dòng)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這也是氣動(dòng)彈性要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。今天我們就通過(guò)一個(gè)實(shí)例展示高速紋影技術(shù)在高超聲速氣動(dòng)彈性中的應(yīng)用，以及它的優(yōu)勢(shì)。

最近，澳大利亞新南威爾士大學(xué)（University of New South Wales）在網(wǎng)站上發(fā)布了一個(gè)高超音速氣動(dòng)彈性研究的高速紋影視頻。我們就通過(guò)這個(gè)公開的資料展示紋影技術(shù)在氣動(dòng)彈性問(wèn)題中的應(yīng)用。

一 · 流動(dòng)問(wèn)題簡(jiǎn)介

我們先把視頻中的流動(dòng)現(xiàn)象簡(jiǎn)單介紹一下。如下圖所示，模型主要包括兩部分，在主流中有一個(gè)二維楔形體，楔角為20度，來(lái)流馬赫數(shù)為5.8，已經(jīng)在高超音速范疇。在楔形體下方布置了一個(gè)平板，厚度為2mm，以懸臂梁支撐，在平板尾部安裝了一個(gè)位移傳感器。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，楔形體會(huì)被機(jī)械機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，以一定周期振動(dòng)（Harmonic Oscillation），進(jìn)而引起氣流的周期性脈動(dòng)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的就是觀察懸臂平板在來(lái)自外部氣流和激波激勵(lì)下的振動(dòng)。

原始視頻中紋影圖片的分辨率是412x412像素，總共包含518張紋影圖片，可惜的是拍攝幀率并沒(méi)有標(biāo)記出來(lái)。我們這里要演示的就是如何分別提取出楔形體和平板振動(dòng)頻率。

二 · 紋影圖片處理

步驟1-紋影亮度提取

為了獲得物體的振動(dòng)信息，我們需要把物體的邊界信息顯示出來(lái)。在這里我們分別提取x=30Pixel和x=330Pixel處沿高度方向的紋影亮度，然后沿時(shí)間方向?qū)⑺麄兤戒?。提取過(guò)程如下圖所示。

步驟2-振動(dòng)曲線提取

提取出的亮度沿時(shí)間變化云圖如圖3所示。選擇X=30Pixel和X=330pixel這兩個(gè)地方是因?yàn)樗麄兎謩e代表了楔形體和平板的運(yùn)動(dòng)。很顯然圖3中標(biāo)記出的黑色和紅色脈動(dòng)曲線分別代表楔形體和平板的振動(dòng)軌跡。

根據(jù)紋影亮度提取出的振動(dòng)曲線如圖4所示。需要指出的是兩條曲線均做了居中化處理。根據(jù)振動(dòng)圖線可以發(fā)現(xiàn)楔形體的振動(dòng)（黑色）基本按照正弦曲線，其振幅逐漸減小，從開始的12Pixel減小到最后8Pixel。平板的振動(dòng)（紅色）振幅均小于5Pixel，振幅也略有減小。

步驟3-頻譜分析

在獲得振動(dòng)曲線的基礎(chǔ)上，我們可以進(jìn)一步進(jìn)行頻譜分析，頻譜計(jì)算的結(jié)果如圖5所示。由于圖像采集幀率未知，頻譜曲線的橫軸是圖片的數(shù)量。從頻譜曲線中我們可以發(fā)現(xiàn)，楔形體和平板在f=10處均有一個(gè)幅值，說(shuō)明平板跟隨楔形體的激勵(lì)頻率脈動(dòng)。但是平板在f=20處出現(xiàn)第二個(gè)幅值，這個(gè)二階幅值對(duì)應(yīng)的脈動(dòng)其實(shí)在平板的振動(dòng)曲線中也可見。這個(gè)二階頻率正是科研工作者想要捕捉到的，也是這項(xiàng)研究的重點(diǎn)。

三·紋影在氣彈研究中應(yīng)用總結(jié)

通過(guò)UNSW的這個(gè)氣動(dòng)彈性的紋影視頻，我們對(duì)模型的振動(dòng)進(jìn)行了定量化處理，成功計(jì)算出了被激勵(lì)平板振動(dòng)的主頻和更高階頻率。由于高階頻率產(chǎn)生的原因較多，比如激波邊界層干擾，在此就不仔細(xì)分析了。

通過(guò)高速紋影分析氣動(dòng)彈性問(wèn)題可以量化振動(dòng)，進(jìn)行頻譜分析。相比接觸式傳感器，紋影技術(shù)具有如下重要優(yōu)勢(shì)

• 紋影為非接觸式測(cè)量，對(duì)測(cè)量無(wú)干擾；

• 避免了傳感器安裝，導(dǎo)線布置的繁瑣過(guò)程；

• 一次測(cè)量可以獲得全場(chǎng)數(shù)據(jù)，避免使用多個(gè)傳感器，成本低。

希望本文幫助您在學(xué)習(xí)和研究中拓寬思路，提供線索。

參考文獻(xiàn)：

UNSW視頻原文鏈接：https://www.unsw.adfa.edu.au/newsroom/news/unsw-canberra-hypersonics-experiment-selected-international-workshop）