專利名稱：用于確定作用在物體上的力的方法和系統的制作方法
用于確定作用在物體上的力的方法和系統
背景技術：
為了研究對象的空氣動力學和空氣聲學特性，將所述對象或要研究的對象的實際 比例三維模型置于風洞或流道(flow tunnel)中。例如，將飛機或其他交通工具的模型布 置在流道中暴露給流體流，例如空氣流。除了研究交通工具的模型以外，流道還可以用于研 究建筑物。在這方面，將建筑物(例如多層建筑物或橋梁)的三維模型布置在風洞中并暴 露給空氣流。由于流道的直徑有限，很少在流道中以實際尺寸來研究對象。為此，實際比例的三 維模型通常由大的對象制成并且被布置在流道中，以研究對象的流行為。對于物體，特別是飛機，重要的是當研究物體的空氣動力學行為時，檢測作用在物 體上的力，以便能夠驗證物體的特性或者能夠改進物體的組件或改進物體的結構。在傳統測量系統中，例如通過所謂的風洞天平來靜態地測量作用在物體上的力。 在這種類型的測量系統中，通過風洞天平來直接測量力，通過風洞天平來測量作用在物體 上的力的平均值。用于確定作用在物體上的力的這些傳統系統具有許多缺點。一方面，風洞天平僅 測量作用在物體上的力的平均值，而不測量任何時間特性，即，僅進行靜態力測量，而不進 行動態力測量。此外，用于使用風洞天平來確定力的傳統系統不適合物體的一些組件或部 件。為了測量作用在飛機的旋轉物體上的力，例如，作用在飛機螺旋槳上的力，必須將風洞 天平安裝到旋轉組件或旋轉部件。這只能以相當大的技術復雜度為代價來實現。此外，在 旋轉期間產生的離心力會導致測量結果錯誤。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種方法和設備，該方法和設備以相對低的技術復雜 度精確地檢測作用在任何期望物體上的力。根據本發明，利用一種具有如權利要求1所述的特征的方法實現了該目的。本發 明提供了一種確定作用在物體上的力的方法，該方法具有以下步驟(a)將物體布置在流道內部預定的封閉受控容積中；(b)針對限定封閉受控容積的每個表面檢測壓力分布和速度場；(c)根據針對封閉受控容積的限定表面檢測到的壓力分布和速度場，來計算作用 在物體上的力。在根據本發明的方法的實施例中，針對受控容積的限定表面，光學地檢測速度場。光學地檢測速度場提供的優點是，在測量期間，作用在物體上的力不受測量的影 響。另一優點是，可以靈活的方式容易地適配受控容積的幾何結構和尺寸，以適合要 研究的物體的空間尺寸。在根據本發明的方法的實施例中，物體在流道中暴露給包含分散微粒的流體的流。
在根據本發明的方法的實施例中，利用激光，針對受控容積的限定表面檢測相應 的激光交叉，以檢測相應限定表面上分散微粒的微粒分布。在根據本發明的方法的實施例中，激光是由脈沖激光器產生的。在根據本發明的方法的實施例中，由至少兩個攝像機來記錄分散微粒的微粒分布。在根據本發明的方法的實施例中，將由攝像機記錄的微粒分布作為圖像臨時存儲 在存儲器中。在根據本發明的方法的實施例中，受控容積的限定表面的壓力分布是由可以在一 個或多個限定表面上自由移動的至少一個壓力傳感器來檢測的。在根據本發明的方法的實施例中，通過將檢測到的微粒分布進行互相關，來計算 局部微粒位移矢量。在根據本發明的方法的實施例中，基于微粒位移矢量來計算速度場的速度矢量。在根據本發明的方法的實施例中，作用在物體上的力F或力分布是如下計算的
權利要求
1.一種確定作用在物體( 上的力的方法，包括以下步驟(a)將物體( 布置在流道內部預定的封閉受控容積C3)中，所述封閉受控容積(3)具 有多個限定表面；(b)針對限定了封閉受控容積(3)的每個表面，同時檢測壓力分布和速度場；(c)根據針對封閉受控容積(3)的限定表面同時檢測到的壓力分布和速度場，來計算 作用在物體⑵上的力(F)。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，針對封閉受控容積(3)的限定表面，光學地檢測 速度場。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中，物體( 在流道中暴露給包含分散微粒的流 體的流。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，利用由脈沖激光器(5)產生的激光，針對限定表 面檢測相應的激光交叉，以檢測相應限定表面中分散微粒的微粒分布。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，將由攝像機(6A，6B)記錄的分散微粒的微粒分布 作為圖像臨時存儲在存儲器(7)中。
6.根據權利要求1至5中任一項權利要求所述的方法，其中，封閉受控容積C3)的限定 表面的壓力分布是由能夠在一個或多個限定表面上移動的至少一個壓力傳感器(11)來檢 測的。
7.根據權利要求5所述的方法，其中，通過將檢測到的微粒分布互相關，來計算局部微 粒位移矢量。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，基于微粒位移矢量來計算速度場的速度矢量。
9.根據權利要求1至8中任一項權利要求所述的方法，其中，作用在物體(2)上的力 (F)是如下計算的F^§(pV-dS)/+§pdSS ‘S其中V是速度矢量，S是封閉受控容積的限定表面， P是檢測到的壓力，以及 ρ是流動流體的密度。
10.根據權利要求1至9中任一項權利要求所述的方法，其中，封閉受控容積(3)由具 有六個限定表面的立方體或長方體構成，或者由具有四個限定表面的四面體構成。
11.根據權利要求1至10中任一項權利要求所述的方法，其中，根據當前壓力分布和速 度場來動態地確定作用在物體( 上的力(F)的時間特性。
12.一種用于確定作用在物體上的力的系統，包括(a)封閉受控容積(3)，被提供在流道內部，在所述封閉受控容積(3)中布置有物體⑵；(b)第一測量裝置(11)，用于針對限定了封閉受控容積(3)的每個表面檢測壓力分布；(c)第二測量裝置(5，6A，6B)，用于針對封閉受控容積(3)的每個限定表面檢測速度場；其中第一測量裝置和第二測量裝置同時檢測封閉受控容積(3)的每個限定表面的壓力 分布和速度場；以及(d)計算單元(10)，用于根據同時檢測到的受控容積(3)的限定表面的壓力分布和速 度場來計算作用在物體(2)上的力(F)。
13.根據權利要求12所述的系統，其中，第一測量裝置(11)包括能夠在封閉受控容積 (3)的一個或多個限定表面上移動的至少一個壓力傳感器。
14.根據權利要求12所述的系統，其中，第二測量裝置(5，6A，6B)針對封閉受控容積 (3)的每個限定表面產生激光交叉，以檢測限定表面上的分散微粒的微粒分布。
15.根據權利要求12所述的系統，其中，物體(2)是3D模型，所述3D模型的體積小于 封閉受控容積⑶。
全文摘要
本發明提供了一種使用受控容積(3)來確定作用在物體(2)上的力的系統和方法，所述受控容積(3)提供在流道內并且其中布置有物體(2)。第一測量裝置(11)用于針對限定封閉受控容積(3)的每個表面檢測壓力分布。第二測量裝置(5，6A，6B)用于針對封閉受控容積(3)的每個限定表面檢測速度場。此外，計算單元(10)用于根據針對受控容積(3)的限定表面檢測到的壓力分布和速度場來計算作用在物體(2)上的力(F)。
文檔編號G01M9/06GK102066890SQ200980122676
公開日2011年5月18日 申請日期2009年6月16日 優先權日2008年6月16日
發明者克勞斯-彼得·內茨柯, 埃里克·威勒馬斯·瑪麗亞·羅森布姆, 安德里斯·施羅德爾, 溫弗里德·庫恩 申請人:空中客車運營有限公司