一种燃气涡轮瞬态及稳态实验叶栅型面数据的提取方法技术

一种燃气涡轮瞬态及稳态实验叶栅型面数据的提取方法，包括实验叶栅标定点布设、构造实验叶栅所对应的三维空间信息、构造三维空间至二维像素平面的投影矩阵、计算三维叶栅型面信息的像素平面投影、二维像素平面区域分解、像素平面叶栅投影点数据提取、二维像素平面的三维重构等，本发明专利技术在单红外相机系统下可简单有效的根据实验需求获得三维叶栅叶顶、吸力面、压力面的实验数据，进而为实验数据的定量分析，CFD、自编程、经验公式等数值验证提供了准确的实验结果，并且该方法适用于复杂叶栅型面的数据提取。本发明专利技术仅在单相机系统下完成了实验叶栅的数据提取，具有成本低廉、适用范围广、提取数据精准的优势，更符合燃气涡轮研究人员的使用需求。人员的使用需求。人员的使用需求。

【技术实现步骤摘要】
一种燃气涡轮瞬态及稳态实验叶栅型面数据的提取方法


[0001]本专利技术涉及燃气涡轮气动传热和综合冷却
，具体涉及一种燃气涡轮瞬态及稳态实验叶栅型面数据的提取方法。

技术介绍

[0002]燃气涡轮作为航空发动机和重型燃气轮机中重要的做功部件，提高燃气涡轮进口温度可有效提升其热效率。在这一背景下，燃气涡轮进口温度逐年提高，其中先进重型燃气轮机涡轮进口温度已超过1600K，军用航空发动机的涡轮进口燃气温度可达2000K，已远超目前制造涡轮所使用的材料(如镍基高温合金)所能承受的环境工作温度(1300K)。为保证燃气涡轮的正常运行，需要结合先进冷却技术、耐高温材料、热障涂层设计更加可靠的叶片方案。
[0003]由于涡轮叶栅通道内部存在复杂的流动和强烈的掺混，极大的提高了涡轮叶栅的设计难度。针对燃气涡轮叶栅通道流动、传热冷却特性开展深入的研究，对发展现代先进冷却方案设计具有重要的工业意义。瞬态及稳态实验是开展叶栅通道机理性研究的重要手段，其中红外热成像(Infrared Thermography，IRT)技术被广泛应用于国内外各类传热、冷却的实验研究。但由于叶栅通道固有的几何特征，红外图像往往同时包含非试验件区域及涡轮叶栅多种型面上的数据，如端壁、叶身、叶顶等。而这一特性极大地限制了研究人员对实验数据的定量分析及基于实验数据的拓展研究。
[0004]为了解决上述问题，现有的技术往往需要双红外相机及其他辅助设备，这无疑大幅提高了实验成本，且提高了研究人员的操作难度。且现有技术因其固有的技术特点极大地限制了其在涡轮叶栅瞬态实验中的应用。此外，现代先进的涡轮叶栅存在复杂的曲面结构，现有的计算无法精确的进行三维重构及数据提取。

技术实现思路

[0005]为了克服以上技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种燃气涡轮瞬态及稳态实验叶栅型面数据的提取方法，该方法仅在单相机系统下完成了实验叶栅的数据提取，大幅降低了实验设备成本及实验操作难度，且获取更加精度的实验数据，更加符合燃气涡轮实验人员的需求。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种燃气涡轮瞬态及稳态实验叶栅型面数据的提取方法，包括以下步骤；
[0008]步骤(1)：依据实验所关注区域(如吸力面、压力面、叶顶)布设多组标定点，分别确定标定点于三维空间下的坐标点和红外相机二维像素平面中的坐标，即标定点的三维空间点坐标和二维图像点坐标；
[0009]步骤(2)：将所述标定点的三维空间点坐标和二维图像点坐标转换为齐次坐标；
[0010]步骤(3)：将所述标定点的三维空间点的齐次坐标和二维图像点的齐次坐标进行匹配，从而构造三维空间点与二维像素点对应的齐次坐标投影关系；
[0011]步骤(4)：根据所述投影关系求解投影矩阵；
[0012]步骤(5)：基于实验叶栅几何划分叶栅，并划分三维结构化或非结构化网格；所述型面类型包括吸力面、压力面、叶顶；
[0013]步骤(6)：基于所述叶栅三维网格构建型面的网格面信息；
[0014]步骤(7)：利用所述投影矩阵，将型面的网格节点及网格面信息投影至二维像素平面，得到型面网格于二维像素平面的投影点以及型面于二维像素平面的分布；
[0015]步骤(8)：根据型面信息对二维像素平面进行图像分割，即像素平面中的吸力面区域、压力面区域、叶顶区域；
[0016]步骤(9)：依次遍历型面网格在二维像素平面上的所述投影点，并提取像素信息；
[0017]步骤(10)：依据所述型面网格的三维空间信息与像素平面的投影关系，反向进行三维空间重构，即可完成燃气涡轮瞬态及稳态实验叶栅型面数据的提取。
[0018]考虑到燃气涡轮传热、冷却试验台其红外视窗区间及视角的限制，红外相机拍摄图像往往包含众多区域的信息，而这一特性极大地限制了科研人员对实验结果进一步的后处理和利用。为此，有必要针对这一问题，对实验关注区域数据进行提取。
[0019]根据试验件本身的几何结构和试验台红外相机的拍摄情况，于试验前对试验件进行预处理，即在CAD模型和试验件上布置标定点；标定点需满足在红外相机拍摄图像中清晰可见的要求。
[0020]于燃气涡轮传热、冷却实验结束后，需要基于红外相机拍摄图像中提取试验件上预置的标定点像素坐标(二维坐标系)。将CAD模型中的坐标系视为世界坐标系，将其中标定点的三维坐标视为真实坐标，并基于上述假设提取标定点的三维坐标值用于相机标定。
[0021]所述的步骤(1)，需要在实验前在试验件所关注区域布设多组标定点，且保证在红外相机拍摄图像中清晰可见，并在实验完成后提取标定点于三维空间下的坐标和二维像素平面坐标系下的坐标。
[0022]所述的步骤(2)中对标定的坐标值进行增广得到其对应的齐次坐标值，具体操作如下：
[0023]假定每一个标定点i于三维空间下的坐标和二维像素平面坐标系下的坐标分别为则其对应的齐次坐标为
[0024]所述步骤(3)中，将标定点的三维空间齐次坐标值与像素坐标值(二维坐标值)构成对应点对(即投影点对)；为建立三维空间至二维像素平面的投影关系，本专利技术采用了针孔相机模型；该模型的优势在于相机景深范围内的所有点，即相机能够聚焦成像的深度范围内的点，均可以按照针孔相机的原理成像；对于燃气涡轮叶栅实验，试验件叶栅高度(叶高)较小，即聚焦成像的深度范围均在相机景深范围内；且燃气涡轮叶栅实验可以忽略透视及畸变对数据提取的影响。针孔相机模型能较好满足燃气涡轮叶栅实验数据提取的需求。
[0025]在针孔相机模型中，为构建三维空间至二维像素平面的投影关系，首先引入了摄像机像平面，像平面到相机投影中心点O的距离为f，且与主轴垂直(与XY平面平行)，其中f为相机的焦距；
[0026]在该像平面上，三维点p
w
＝(x
w
,y
w
,z
w
)映射到其二维投影点p
c
＝(x
c
,y
c
)存在如下对应关系：
[0027][0028][0029]使用齐次坐标表达如下：
[0030][0031]在像素平面中，通常以像素为单位，且存在相机的投影中心不在(0，0，0),且主轴并不是Z轴或像素平面不与XY平面平行的情况；为此需要引入变换矩阵对模型进一步修正，该变换矩阵包含一个旋转矩阵R和一个平移矩阵T。因此，将三维空间下的坐标转变成二维像素平面坐标系下的坐标的方法为：
[0032][0033]其中，矩阵M为三维空间至像素平面的投影矩阵。
[0034]所述步骤(4)采用直接线性变换法求解投影矩阵M，其具体求解过程如下：
[0035][0036][0037]据此，展开得两个线性方程：
[0038][0039][0040]式中，m1，m2，m3分别为投影矩阵M的第一行至第三行行向量。
[0041]利用SVD求解上述线性方程组，所得奇异本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃气涡轮瞬态及稳态实验叶栅型面数据的提取方法，其特征在于，包括以下步骤；步骤(1)：依据实验所关注区域布设多组标定点，分别确定标定点于三维空间下的坐标点和红外相机二维像素平面中的坐标，即标定点的三维空间点坐标和二维图像点坐标；步骤(2)：将所述标定点的三维空间点坐标和二维图像点坐标转换为齐次坐标；步骤(3)：将所述标定点的三维空间点的齐次坐标和二维图像点的齐次坐标进行匹配，从而构造三维空间点与二维像素点对应齐次坐标投影关系；步骤(4)：根据所述投影关系求解投影矩阵；步骤(5)：基于实验叶栅几何划分叶栅，并划分三维结构化或非结构化网格；所述型面类型包括吸力面、压力面、叶顶；步骤(6)：基于所述三维结构化或非结构化网格构建型面的网格面信息；步骤(7)：利用所述投影矩阵，将型面的网格节点及网格面信息投影至二维像素平面，得到型面网格于二维像素平面的投影点以及型面于二维像素平面的分布；步骤(8)：根据型面信息对二维像素平面进行图像分割，即像素平面中的吸力面区域、压力面区域、叶顶区域；步骤(9)：依次遍历型面网格在二维像素平面上的所述投影点，并提取像素信息；步骤(10)：依据所述型面网格的三维空间信息与像素平面的投影关系，反向进行三维空间重构，即可完成燃气涡轮瞬态及稳态实验叶栅型面数据的提取。2.根据权利要求1所述的一种燃气涡轮瞬态及稳态实验叶栅型面数据的提取方法，其特征在于，所述的步骤(1)，需要在实验前在试验件所关注区域布设多组标定点，且保证在红外相机拍摄图像中清晰可见，并在实验完成后提取标定点于三维空间下的坐标和二维像素平面坐标系下的坐标。3.根据权利要求1所述的一种燃气涡轮瞬态及稳态实验叶栅型面数据的提取方法，其特征在于，所述的步骤(2)中对标定的坐标值进行增广得到其对应的齐次坐标值，具体操作如下：假定每一个标定点i于三维空间下的坐标和二维像素平面坐标系下的坐标分别为则其对应的齐次坐标为4.根据权利要求1所述的一种燃气涡轮瞬态及稳态实验叶栅型面数据的提取方法，其特征在于，所述步骤(3)中，将标定点的三维空间齐次坐标值与像素坐标值(二维坐标值)构成对应点对(即投影点对)；采用针孔相机模型；即相机能够聚焦成像的深度范围内的点，均可以按照针孔相机的原理成像；在针孔相机模型中，为构建三维空间至二维像素平面的投影关系，首先引入了摄像机像平面，像平面到相机投影中心点O的距离为f，且与主轴垂直(与XY平面平行)，其中f为相机的焦距；在该像平面上，三维点p
w
＝(x
w
,y
w
,z
w
)映射到其二维投影点p
c
＝(x
c
,y
c
)存在如下对应关系：
使用齐次坐标表达如下：在像素平面中，通常以像素为单位，且存在相机的投影中心不在(0，0，0),且主轴并不是Z轴或像素平面不与XY平面平行的情况；为此需要引入变换矩阵对模型进一步修正，该变换矩阵包含一个旋转矩阵R和一个平移矩阵T。因此，将三维空间下的坐标转变...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志刚，郝铭扬，孙大可，张嘉伟，李军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：