基于低密度粒子图像叠加的Micro-PIV速度场测量

提出了一种基于低密度粒子图像的微流体粒子图像全场测速技术.经过背景噪声去除、阈值过滤、图像增强等图像预处理过程,获得了高质量的低密度荧光示踪粒子图像.对100对图像进行图像叠加处理,得到了满足互相关算法求解二维速度场的高密度叠加粒子图像.针对宽度为250μm,深60μm的长直微通道开展了覆盖全场不同流体层平面的二维速度测量,并利用多个流体平面的二维速度场实现了微通道内全场速度的构建.研究结果表明:由于图像叠加法去除了像径大但灰度低的背景粒子图像,采用互相关分析能够准确获得分层二维速度场,所构建的全场速度场正确反映了长直微通道内流流场特征.     

水流场PIV测试系统示踪粒子特性研究

粒子图像测速技术(PIV)是一种新的流场测量技术,通过对流场中的示踪粒子进行多次曝光成像,获得具有相关性的示踪粒子图像,利用软件对粒子图像进行处理后可得到被测流场的信息.水流场PIV测量利用合适的示踪粒子运动来表征流场状况,示踪粒子的特性对PIV最终测量结果影响很大.讨论了密度、直径、表面反射率等示踪粒子特性对系统实验测量的影响,并特别针对水流场斜入射离轴PIV测试,选择合适的特性参数设计研制了一种简单实用的水流场示踪粒子.通过在直径为100~200μm的聚苯乙烯微球上利用化学方法进行表面镀银,使示踪粒子具有高的光散射特性,实验结果表明这种微粒非常适合于水流场示踪.     

红外分子标记测速法

分子标记测速法（MTV）和粒子成像测速法（PIV）常被用于流动显示和流场成像测量,但在示踪粒子跟随性差、示踪粒子分布不均匀时,示踪粒子的引入会给PIV带来速度测量系统误差,而不需引入示踪粒子的MTV因荧光寿命长度限制,主要应用在高速和超声速流动测量中。为了发展无需示踪粒子、可适用于低速气流场的二维流速成像方法,本文介绍了一种基于激光诱导红外荧光的新型分子标记测速法,并在二氧化碳气体轴对称湍流射流中进行了速度测量与验证。在红外分子标记测速法中,通过红外脉冲激光选择性激发气体小分子的共振振动能级跃迁实现分子的标记,随后通过红外相机对不同时刻下跟随流场流动的激发态分子记录其发射荧光分布,进而处理得到流动速度场信息。通过考虑分子振动能量传递过程模型、有限荧光寿命、横向速度分量和分子扩散运动对荧光分布的影响,实现从荧光分布图像定量获取速度场分布。将该方法应用于5～51 m/s速度的二氧化碳湍流射流中,得到了射流轴向速度的径向分布,速度测量的相对不确定度优于8%,径向空间分辨率达到107μm,且该速度分布与湍流射流理论结果及前人实验测量结果符合较好。利用该方法分辨了射流在不同轴向位置的径向速度分布...     

基于双光场相机的高分辨率光场三维PIV技术

光场相机粒子图像测速（Light Field Particle Image Velocimetry，LF-PIV）是一种近几年新发展起来的流动测试手段，能够仅通过单个光场相机测量3D-3C瞬态速度场，简化了三维流场测量的实验复杂度，特别是能实现受限空间的三维速度场测量。然而这一技术尚存在一些不足:由于光场相机沿景深方向的空间分辨率较低，沿该方向的速度测量精度低于垂直于景深方向的测量精度。本文尝试从硬件角度入手，发展一种双光场相机流动测试技术，通过增大对示踪粒子的观察视角，来提高光场三维测量系统沿景深方向的空间分辨率。基于乘积代数迭代技术（Multiplicative Algebraic Reconstruction Technique，MART），开发了针对双光场相机的粒子三维重构算法。分别利用直接数值模拟（Direct Numerical Simulation，DNS）水射流的数字合成图像与低速水射流涡环的实验图像，将双光场相机的测量结果与单光场相机的测量结果进行对比分析研究。结果表明双光场相机与单光场相机相比显著提高了相机沿景深方向的测量精度。     

汽轮机低压排气缸内流场的PIV实验研究

使用时间分辨粒子图像测速仪(TR-PIV)对汽轮机低压排气缸模型内流场进行了研究.通过对某些特征平面的测量,获得了其平均流场的速度矢量与涡量,发现其内部流动从上部至出口呈现多个涡合并为一个通道涡的过程,通道涡主导了蜗壳通道内的流动,其涡量沿主流方向逐渐降低.实验还发现,在排气缸下部加装的隔板能有效阻止非主流方向上的流动,这将有利于有效通流面积的增加和降低流动损失.     

低速风洞PIV实验中的示踪粒子投放技术

使用Dantec公司的FlowMap PIV系统,在低速风洞中测量二维风速,研究PIV在实际流场测量中的示踪粒子投放技术.实验中使用不同的方式散播示踪粒子测量二维风速,通过对实测风速及流场均匀度的比较,得出在实验段出口处向风洞投放粒子,使其在风洞中循环的方法是最佳散播粒子方式的结论,该方法不仅在小风速下可用,在风速60m/s下也可获得清晰的流场测量图片.     

微纳米尺度流动实验研究的问题与进展

微纳米实验流体力学研究的流动特征尺度在1mm~1nm范围,处于宏观流动到分子运动的过渡区。连续介质力学与量子力学这两个经典理论的衔接,提出了诸如连续性假设适用性、边界滑移等基本理论问题。同时从微纳米尺度研究界面处液/固/气的耦合,化学、电学性质对流动的影响值得关注。微纳米实验测量仪器融入了力、电等测量手段,要求测量空间精度达到nm量级,力的测量精度达到pN,时间分辨率达到ns。本文围绕连续性假设适用性、边界滑移、微纳米粒子布朗运动及微尺度涡旋测量等问题,介绍了 Micro/Nano PIV、示踪粒子流场显示等技术应用于微纳流场观测的进展与难点。目前微纳米流动测量仍然沿着经典流体力学测量“小型化”的思路开展,而纳尺度的测量期待着新的实验方法与技术的提出。     

光场三维速度和温度同步测量技术仿真分析

本文提出了LF-PIV(单相机光场测速技术)与基于温敏磷光粒子衰减时间的测温技术相结合的三维速度和温度同步测量技术,实验校准了温敏示踪粒子(Mg3 F2 GeO4:Mn)光强衰减时间和温度的对应关系,仿真分析了相机曝光时间特性对测量准确性的影响.在相机两帧图像曝光时间可控条件下,利用DNS(Direct Numeric...     

基于形心主轴的二维DPTV算法

提出了一种根据曝光时间内示踪粒子形成的轨迹图像来确定瞬时流速的数字化方法.将采集到的粒子轨迹灰度图像转化为二值化图像, 对粒子轨迹图像包含的像素点进行了标记.通过确定粒子轨迹图像的形心主轴得到了粒子轨迹长度,根据流场局部区域运动速度基本相同的事实确定了示踪粒子的运动方向,得到了流体的运动速度.应用本文提出的测速算法对槽道流动的瞬时流场进行了测量.对瞬时测量结果进行平均得到的垂向平均流速分布规律与公认的对数率分布规律相吻合.     

高速流动PIV示踪粒子跟随响应特性实验研究

示踪粒子的跟随响应能力是影响高速流动PIV测量精度的重要因素。针对法向马赫数大于1.4的高速流动所提出粒子松弛特性分析模型，结合理论分析与数值模拟方法，发展了高速流动下的示踪粒子布撒技术，提高了PIV技术定量化测量能力。基于上海交通大学多马赫数风洞，以不同粒径的氧化钛颗粒作为示踪粒子，利用PIV技术观测Ma4的高速流动诱导的一道22°激波，结果显示30nm粒径的示踪粒子有更优秀的跟随响应能力；并以该粒子进行了不同条件下（包括斜激波与脱体激波）的跟随性实验验证，为高速流动PIV示踪粒子选择提供了实验支撑。     

基于时间解析PIV的圆柱绕流尾迹特性研究

采用时间解析PIV（采样频率为1000Hz）在0.55m×0.4m声学风洞中测量了直径D=20mm圆柱后方7.5倍直径、圆柱两侧各3.3倍直径所围成范围内的绕流尾迹在雷诺数Re=2.74×104下的非定常流场。针对PIV获得的速度场数据，进行流场和频谱特性分析，探讨了圆柱绕流尾迹中的平均流场和脉动流场特性，以及旋涡脱落的频率特性。提出了基于速度场之间相关性的相位平均分析方法，系统分析了圆柱上下两侧旋涡交替生成、脱落、发展并耗散的完整演化过程。结果表明:在圆柱后方存在一个低速回流区，其中心0.8D的位置附近是流动结构变化最剧烈的区域；圆柱后方1.9D位置附近是上/下两侧脱落旋涡交汇、耦合的区域，湍流脉动最强；圆柱绕流尾迹中，旋涡脱落频率对应的斯特劳哈尔数稳定在0.2左右；基于速度场之间相关性的相位平均分析方法简单有效，可以准确地识别绕流尾迹中旋涡交替脱落和发展的时空演化过程，在非定常流场测量方面具有普遍推广意义。     

反射激波作用下重气柱界面演化的PIV研究

在水平激波管中采用PIV方法研究了反射激波作用下SF6重气柱界面的发展演化。采用射流方法形成SF6无膜气柱界面,并以乙二醇作为示踪粒子。利用连续激光片光源结合高速摄影相机对流场进行显示,得到了反射激波作用下SF6气柱界面的发展过程。结果表明,入射激波的冲击会在界面上产生反向旋转的涡环结构,而反射激波的作用会在界面上产生与初始涡环旋转方向相反的次级涡环结构。此外,对反射激波作用后的流场图像进行PIV后处理,获得了流场连续的速度场和涡量场。获得的环量与已有的理论模型进行比较,取得了较好的一致性,也验证了本文实验方法的可行性。     

绕水翼超空化阶段汽液混合体动态特性的实验观测

为深入了解超空化流动机理,采用高速录像和数字粒子图像测速系统( DPIV)对绕hydronautics水翼的超空化流场进行了观测.结果表明:在两相共存超空化阶段,水汽混合相和汽相的分布决定了超空化区域速度场和涡量场的分布特性;水汽混合区的速度相对较低,而汽相区则与主流区有着相近的速度分布,而且空化区与主流区交界面处有着较大的速度梯度;在水汽混合区与主流区的交界处形成了上下涡带,其涡量分布表现出了明显的时间依赖性.     

应用数字图象处理技术研究涡流场

本文描述的实验采用干冰为示踪粒子，对脱体涡系作了流动显示，并对摄取的图片进行了数字图象处理。结果清楚地提示了涡的三层结构。在主涡的诱导下，出现二次涡，而二次涡会影响脱体涡的速度分布。实验还得到了脱体涡流场的灰度分布图，并将得出的涡核直径与ＬＤＶ得到的结果进行了对比。实验结果还证明来流迎角、侧滑角及前缘后掠角会影响涡核的位置和强度。当机翼前缘后掠角增加时，脱体涡向不稳定方向发展。     

基于层析PIV的椭圆水翼近尾迹梢涡实验研究

梢涡空化作为一种常见的空化现象，广泛存在于水力机械及船舶推进领域。梢涡空化初生与桨叶梢部的旋涡流动密切相关，因此有必要深入研究梢涡流场，揭示其流动特征与空化的内在联系。基于高时间解析度的层析PIV技术，在高速空泡水洞中对椭圆水翼的近尾迹梢涡流场开展了实验研究。结果表明:梢涡在近尾迹区域内存在明显的摆动现象，未考虑旋涡摆动的时间平均会在时均流场中引入额外的误差，因此在梢涡特性的定量研究中有必要滤除旋涡摆动的影响；在水翼脱落剪切层的作用下，涡核中心两侧的切向速度分布明显不对称，且在剪切层与涡核之间存在高速轴向流动区域；梢涡流场中的湍流脉动能量主要集中在涡核内部，且由法向、展向速度脉动主导。结合前人研究，发现法向、展向速度脉动是涡核内部湍流压力脉动的主要来源。     

同轴送粉喷嘴保护气体流场研究

为解决飞机结构损伤激光在线修复过程中同轴送粉喷嘴气体保护效果不佳的问题,利用粒子图像测速(Particle image velocimetry,PIV)和Fluent软件对喷嘴保护气体流场进行了研究。将喷嘴气流的同轴射流和同轴冲击射流的数值计算结果和实验测量结果进行了比较,分析了喷嘴气流速度变化对流场稳定性的影响。结果表明:喷嘴中心、内环和外环气流流速由内向外递减时可获得稳定的流场;喷嘴中心、内环、外环喷出的气流速度接近一致时,流场比较稳定;喷嘴中心气流速度小于内环和外环的气流速度时,工件表面出现漩涡,破坏了流场的稳定性。     

圆柱尾流场的 Tomo-PIV 测量

层析粒子图像测速(Tomo-PIV)是一种先进的光学测量技术,能够定量获取三维体视流场结构,可作为诸如湍流、多涡系干扰等三维复杂流场的有效测量手段。为了实现该技术在风洞模型测量中的应用,研究了工程应用和数据处理方法。在中航工业气动院 FL-5风洞,选取12mm 直径的圆柱体作为试验模型,应用 Tomo-PIV 技术测量了圆柱三维尾流场,通过解决体光源引入、示踪粒子投放和现场标定等关键技术以及对数据处理方法的研究,成功获得了圆柱体后方典型的三维卡门涡流场。测量区域约95mm×70mm×8.5mm,粒子图像分辨率达到20 pixels/mm,包含数万个速度矢量数据,实现了 Tomo-PIV 的风洞试验验证。     

PIV技术在涡轮叶栅内流场试验中的应用

对三种高环流系数叶片叶型和五种相对节距的涡轮叶栅进行内流场试验研究,在研究中采用粒子成像测试技术(PIV),获得叶栅内S1m流面的全流场流动信息,并采用拓扑图论原理经计算机进行图像处理,获得S1m流面的速度矢量场和旋度场。对所获得的叶栅内流场分析表明,随着涡轮环流系数的增加,液体流经叶栅的能量损失增大;随着叶栅相对节距的增大,叶栅内脱流区增大、漩涡区的旋度值随之增大。该研究结果将给涡轮叶型的设计提供有价值的参考。     

多孔压敏荧光粒子的制备与流场压力/速度测量的性能表征

开发了一类微米级压敏荧光粒子。该粒子由表面多孔的空心二氧化硅（SiO₂）粒子与压敏荧光材料（PtTFPP和Ru（dpp））融合而成。通过浸染方法使压敏荧光分子附着于粒子上，形成多功能示踪粒子，从而将粒子图像速度场测量技术（Particle Image Velocimetry，PIV）与压敏漆（Pressure Sensitive Paint，PSP）技术相结合，发展了一种流场压力与速度同步测量的技术，为流体力学研究提供一种崭新的实验测量手段。利用PSP静态与动态标定系统，对压敏粒子的信号强度、压力敏感性与压力响应时间进行了测量，研究了不同粒径和不同材料对压敏粒子性能的影响。测量结果表明，制备的压敏粒子具有较好的压力敏感性，其压力响应时间区间为40~70μm，符合测量流场瞬态压力的需求。分析了粒子在流场中的跟随性能，其中2μm粒子松弛时间为7.5μs，有较好的跟随性能。