一种用于燃油结冰试验的流场可视化系统及方法与流程

本发明属于航空发动机控制系统试验，具体涉及一种用于燃油结冰试验的流场可视化系统及方法。

背景技术：

1、航空燃油在低温环境下极易发生结冰现象，生成的冰晶会导致管路堵塞、流量衰减甚至设备故障，严重影响飞行器运行安全。各国适航当局已明确将燃油结冰防护纳入强制审定范畴，确保在冰晶生成、迁移及脱落等场景下仍能维持稳定供油，避免因流量中断引发发动机熄火等危及飞行安全的事故。因此，开展符合适航要求的燃油结冰试验并精准获取结冰过程中的流场特性，成为航空发动机控制系统通过适航审定、保障运行安全的核心前提。

2、流场可视化与速度测量是研究燃油结冰机理的核心手段，粒子图像测速技术作为非接触式光学测量方法，已广泛应用于流场测试。但现有燃油结冰试验中的流场可视化仍面临诸多挑战，难以满足适航要求对测试数据准确性与可靠性的严苛标准：常规的有机玻璃容易在适航标准规定的结冰温度区间内产生光学畸变，若试验段设计不合理将导致成像质量不佳，无法精准捕捉冰晶形态与运动轨迹；现有piv测试加入的人工示踪粒子易与冰晶发生粘连，既干扰结冰过程的真实性，又影响流场测量精度，导致测试数据无法有效支撑适航符合性论证；现有试验方法难以精准捕捉冰晶生成、迁移与流场演变的动态关联，尤其无法模拟适航要求中重点关注的瞬时燃油结冰场景，导致测试数据与实际工况存在偏差，难以满足适航审定对试验数据科学性与完整性的要求。

3、因此，亟需开发一种适配低温环境、测量精度高、可实现多参数协同测试的燃油结冰试验流场可视化系统及方法，以满足适航标准对航空发动机控制系统燃油结冰试验的严苛要求。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种用于燃油结冰试验的流场可视化系统及方法，解决光学畸变、示踪粒子干扰、多参数不同步等问题，实现结冰过程中流场特性的精准可视化。

2、为实现上述目的，本发明的一个技术方案如下：

3、一种用于燃油结冰试验的流场可视化系统，包括：可视化试验管、piv测试单元、降温单元、整体循环回路组件、流量测试单元。整体循环回路组件连接流量测试单元、可视化试验管和降温单元，piv测试单元正对可视化试验管。可视化试验管包括：中心管、嵌套管和外层防雾罩，嵌套管套设在中心管的外侧，外层防雾罩套设在嵌套管的外侧，中心管和嵌套管之间填充常温燃油，嵌套管和外层防雾罩之间填充常温空气。通过上述嵌套构型设计，利用常温燃油填充中间夹层消除中心管内外温差导致的光学畸变，利用外层防雾罩及常温空气填充隔绝外界低温环境，有效防止拍摄视域起雾，从而确保piv测试单元能够获取清晰、无畸变的冰晶/水滴运动图像。

4、优选地，piv测试单元包括：激光器、运动分析相机。激光器朝向可视化试验管的第一面，运动分析相机朝向可视化试验管的第二面，第一面与第二面相互垂直。激光器与运动分析相机呈90°正交布置，激光器出射的片光垂直穿过可视化试验管中心对称面，运动分析相机从正交方向拍摄，以获取截面速度场分布。

5、优选地，中心管为圆管，嵌套管为方管，外层防雾罩为方形。圆管构型与燃油管路一致，确保流场不受截面突变影响；方形嵌套管和外层方形防雾罩提供平整的光学窗口，避免圆管外壁对光线的额外折射，保证成像质量。

6、优选地，中心管的直径、嵌套管的边长、外层防雾罩的边长的比值为7:12:20，中心管的壁厚、中心管的直径、中心管的长度的比值为1:7:200。通过该特定比例关系，在保证结构强度的前提下最大化光学观测视域，同时确保三层嵌套结构协同作用，有效消除低温燃油环境下的光学畸变与视域起雾问题。

7、优选地，整体循环回路组件包括：供油支路、回油支路、动态混合器和过滤支路。供油支路的输出端连接降温单元的输入端，降温单元的输出端连接流量测试单元的一端，流量测试单元的另一端连接动态混合器的输入端，动态混合器的输出端连接可视化试验管的输入端，可视化试验管的输出端连接过滤单元的输入端和回油支路的输出端，过滤单元的输出端连接供油支路的输入端和回油支路的输入端。通过上述回路布局，实现燃油在闭环系统中的连续循环降温、掺混、测试与过滤再生。

8、优选地，回油支路包括：回油箱和回油泵，回油箱的输入口连接过滤支路的输出端，回油箱的输出口连接回油泵的一端，回油泵的另一端连接过滤支路的输入端。供油支路包括：供油箱和供油泵，供油箱的输入口连接过滤支路的输出端，供油泵的输出口连接供油泵的一端，供油泵的另一端连接降温单元的输入端。回油支路与供油支路通过过滤支路实现油路切换，回油支路用于实现试验中的一次性供油以及试验后的燃油清洗功能，供油支路用于实现试验过程中的连续供油与循环。

9、优选地，还包括处理控制单元，处理控制单元与piv测试单元、降温单元和流量测试单元连接。piv测试单元以预设采样频率连续采集冰晶/水滴的运动图像，处理控制单元根据运动图像，获取速度场数据，流量测试单元以预设采样频率采集可视化试验管进口燃油的流量数据，处理控制单元能够将速度场数据的时间戳以及流量数据的时间戳对齐。处理控制单元能够对降温单元的启停进行控制，以使得燃油达到指定温度。通过处理控制单元的统一调度，实现速度场与流量数据的同步采集与时间戳对齐，为流场畸变与流量衰减的耦合分析提供数据基础。

10、本发明的另一个技术方案如下：一种用于燃油结冰试验的流场可视化方法，采用上述任一项所述的用于燃油结冰试验的流场可视化系统，包括：

11、s10：试验前检测可视化试验管的密封性，选取试验燃油，降低试验燃油的含水量并测取试验燃油的实际含水量，将试验燃油的温度降低至目标温度，启动piv测试单元。

12、s20：将降低温度的试验燃油输入至可视化试验管并进行结冰诱导，调节试验燃油的流速，以使得试验燃油的流速达到预期工况的流速值。

13、s30：piv测试单元与流量测试单元同步工作，piv测试单元以预设采样频率连续采集冰晶/水滴的运动图像，流量测试单元以预设采样频率采集可视化试验管进口燃油的流量数据。

14、s40：根据运动图像，获取速度场数据，将速度场数据的时间戳以及流量数据的时间戳对齐，并分析流场畸变与流量衰减之间的动态耦合关系。

15、s50：重复上述实验过程，建立全工况数据库。

16、优选地，步骤s30包括：向piv测试单元与流量测试单元同时发送高频触发信号，以触发同步采集，piv测试单元与流量测试单元以相同的预设采样频率进行数据采集。通过同步触发机制，确保速度场数据与流量数据在时间上严格对齐，为后续耦合分析提供精确的时间匹配。

17、优选地，步骤s40包括：运用高斯平均负像算法对原始图像进行处理，消除因温差导致的可视化试验管壁面冷凝或薄雾干扰；基于标准互相关函数，结合正方形查访区迭代方法处理图像对；固定查访区尺寸，设定重叠率设定，获取高空间分辨率的瞬时速度矢量分布；采用中值滤波算法识别并剔除错误矢量；利用插值算法对缺失或剔除的矢量位置进行填补，输出优化后的高精度瞬时速度场。通过上述图像后处理算法链，在去除干扰信号的同时保留流场真实信息，并通过矢量优化提高速度场测量精度。

18、本发明的有益效果如下：

19、消除光学畸变与视域起雾：可视化试验管采用耐低温高透光率有机玻璃制成的圆管-方管-防雾罩嵌套构型，中心管与嵌套管之间填充常温燃油消除温差畸变，嵌套管与外层防雾罩之间填充常温空气隔绝外界低温环境，配合特定比例尺寸（7:12:20及1:7:200），可有效减少低温燃油环境下的光学畸变，防止拍摄视域起雾。试验段结构稳定性强，可耐受-60℃极端低温，完全满足适航试验对测试装置的环境适应性与结构可靠性要求。

20、无需外加示踪粒子，测量真实准确：本发明直接利用燃油结冰过程产生的冰晶/水滴作为piv示踪粒子，无需额外添加人工示踪粒子。这一设计不仅消除了外部粒子对结冰过程的干扰，更依托冰晶/水滴在燃油流场中的优异跟随性，确保了速度场测量结果的准确性。

21、速度场与流量多参数同步采集：本发明集成高精度流量测试模块并通过处理控制单元实现与piv速度场测试的联动，可同步采集流场速度特性与流量参数。通过同步触发机制确保两组数据时间戳严格对齐，深度揭示结冰过程中流场畸变与流量衰减的耦合规律，保障测试数据的完整性，契合适航审定对"多参数协同验证"的技术要求。

22、算法链保障测量精度：本发明采用高斯平均负像算法去除壁面干扰、标准互相关函数结合查访区迭代计算速度场、中值滤波剔除野点、插值算法填补空缺的完整算法链，在去除干扰信号的同时保留流场真实信息，并通过矢量优化提高速度场测量精度。

23、全工况覆盖，适航认证效率高：试验流程简单可控，可通过调节温度、含水量等参数模拟适航标准要求的全范围结冰工况。适用范围广，不仅可为发动机控制系统燃油附件提供可靠的结冰试验数据支撑，更能直接缩短适航认证周期，降低认证成本。