应用LDV测量内流分离流的实验研究

本文叙述了使用二维激光多普勒测速系统(LDV)测量曲壁扩张管中湍流分离区的试验研究。讨论了在测试过程中 LDV 系统的参数设置、粒子投放以及近壁面测量时的光路调整等技术。给出了实验结果并作了初步分析。     

激光测速技术(LDV)诞生50周年启示

回顾50年来激光测速技术(LDV)的发展过程,取得的主要成就,科学家和工程技术人员作出的重大贡献。LDV为流体力学的实验研究提供了有力的测试手段,开辟了对复杂流动精确、定量、动态测量研究的新篇章。     

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.     

全内反射测速技术(TIRV)中界面隐失波基准光强I0的确定

基于隐失波全内反射的测速技术TIRV (Total internal reflection velocimetry)是微纳流动中测量壁面附近几百纳米范围内速度的有效方法。隐失波的光强分布I (z)随离开壁面的高度z指数衰减。若荧光粒子位于光强分布中,其亮度也将符合此指数关系,通过测量粒子亮度可确定粒子的垂向位置z,而确定隐失波的基准光强I0是该技术的关键之一。基于粒子近壁Boltzmann浓度分布、粒子粒径不均匀性和隐失波光强公式,给出了粒子亮度概率密度分布的数值解。实验测量粒子统计亮度分布后,依据实验和理论分布相同原则可定量确定基准光强I0。采用φ100nm和φ250nm 荧光粒子验证此方法并定量分析了粒径分散性对确定 I0的影响。进一步采用φ100nm粒子进行近壁速度测量实验,结果验证了本方法的有效性。     

水下平板壁面剪应力MEMS测量研究进展

围绕水下平板壁面剪应力测量进行了一系列的试验测试研究工作，包括MEMS壁面剪应力传感器标定、平板模型设计、微弱信号测量系统开发、平板边界层参数估计与CFD仿真分析以及近壁面速度剖面LDV测量等。对于速度为0.2~0.7m/s的来流，基于MEMS传感器阵列对水下壁面剪应力进行了测量，同时使用LDV进行速度剖面测量，并通过对速度剖面的拟合求解出平均壁面剪应力值。通过比较可知，MEMS测量结果、LDV速度剖面法拟合结果和经验公式计算结果三者一致性较好，相互之间差别在5%以内。     

面向新世纪的粒子图像测速

一种综述粒子图像测速(Particle Image Velocimetry)的非接触、瞬时、动态、全流场的和本质上是直接的速度场测量技术,成为当今最实用和非常有潜力的流体力学全流场观测(Full Flow Field Observation & Measurement)技术.回顾和展望PIV(包括DPIV,SPIV,HPIV等)及其应用的进展和前景.面临新世纪,PIV技术有望最终攻克一个容积的三维速度场时间历程(3Dt-3C)的观测和推动流体力学进入十分活跃的新时期.     

三角翼前缘脱体涡涡核速度的激光测量

本文用二维激光多普勒测速仪(LDV)在低速风洞中测量了三角翼旋涡剖面的速度分布,确定了涡核位置和涡核的大小,给出了三角翼旋涡空间位置随迎角的变化。     

平板边界层参数水槽测量与仿真分析研究

利用LDV测试技术，在小型水槽中对零压力梯度的光滑平板边界层进行了平均速度剖面测量。利用测得的速度数据进行从壁面到对数律层尾区全壁面律的拟合求解获得壁面摩擦速度和其他边界层流动参数。在实验测量之外还开展了平板绕流CFD仿真分析，并将实验结果、仿真计算结果和平板经验公式计算结果进行比较。结果表明，基于LDV的全壁面律拟合求解平板表面边界层流动参数具有较高精度，结合仿真分析，可为利用平板开展水中MEMS壁面剪应力传感器标定提供理想的输入。     

粒子像斑三维定位的透视成像原理和方法

在三维粒子成像测速 (PIV)方面 ,可运用体积光照明同时从不同光轴用多个照相机获得PIV图像 ,如何根据这些不同光轴获得的PIV图像确定出粒子物点的空间位置是实现三维粒子成像测速的前提。基于此 ,提出了根据多幅不同光轴的PIV图像的粒子像斑实现粒子物点三维定位的透视成像定位原理和方法。精确确定透视平面与透视中心在空间的位置是实现粒子物点三维定位的关键 ,直接测定透视中心 (照相机的光学中心 )和透视平面在空间的精确位置用常规的测量手段和方法难以奏效 ,因而针对透视图像成像特征及规律进行了较为深入地研究探讨 ,这对于寻求精确计测透视中心和透视平面空间位置的方法有着重要意义。作为实例 ,还给出了两光轴夹角为 90°情况下实现粒子物点三维定位的一系列具体方法和有关算法及定量关系。     

基于高速纹影/阴影成像的流场测速技术研究进展

本文对近年基于纹影/阴影成像的二维和三维速度场测量方法进行了综述，主要内容包括纹影成像的基本原理、硬件设备和测速算法的研究进展。在二维测速方面，介绍了纹影/阴影PIV算法、光流算法及改进算法的原理、适用场景以及优缺点。纹影特性改进光流测速算法可以实现高精度、高空间分辨率的速度场计算，适用范围相对较广。在三维粒子追踪测速方面，主要介绍了层析阴影成像、双视角平行光段阴影成像、双视角汇聚光段阴影成像三种系统的光路设置，并对各自采用的粒子重构和追踪算法进行了比较。双视角阴影成像系统的光路布置更为简洁，降低了对硬件设备的要求，在高速测量中更具优势。梳理了近年来三维粒子追踪测速算法的发展脉络，重点介绍了“先追踪–后重构”和“时间–空间耦合”的双视角三维粒子追踪测速算法。时间–空间耦合的三维粒子追踪测速算法充分利用了时间和空间信息，将时序信息引入立体匹配过程中，显著提升了双视角阴影成像系统在粒子图像密度较高时的重构正确率和追踪准确率，其整体性能优于多种人工智能算法。测速算法在上述方面取得的研究进展，结合短曝光、高帧频的图像采集优势，使得纹影/阴影成像成为一种新型的高帧频、高精度的速度测量技术，在复杂湍流及高瞬态流场实验研究中具有广泛的应用前景。     

旋转流场测量技术的探讨和实践

本文专门介绍一种测量旋转流场的新技术。作者研制了一合旋转机械编码仪，结合应用在二维激光流速计系统，对几种水泵叶轮的内流场进行测量，获得了成功，得到了平均速度、湍流度、相关系数及雷诺应力等各力学量与相位角度之间的对应分布结果。     

应用双镜头三维 LDV/PDPA 系统诊断液流模型流动特性方法

在双透镜模式三维激光测速系统的基础上，提出了在测量液体模型时修正入射光聚焦变形的光程角－位移补偿法。此方法使两个入射透镜的入射光在具有多层不同性质介质的模型中保持相交，并通过位移补偿使入射光相交在同一测量平面上，得到了与入射角、介质折射率及坐标架位移有关的补偿公式。利用实时三维ＰＤＰＡ系统对旋转水流模型进行了调整和测量，实验结果证明了该方法的原理是正确的，对解决不同折射率介质的液体流场及液－固、液－气两相流等流场特性的测量中存在的问题是可行的。     

LDV在静态混合器流场测量中的误差放大现象

LDV在静态混合器流场测量中,测得速度由非正交坐标系向三维笛卡尔坐标系变换时将引起测量原始误差被放大.结合误差传递的原理对该现象进行了理论上的研究,并通过实验测量和数值模拟对研究结论进行了验证.结果表明:LDV在测量中的速度方向转换能引起测量原始误差在某方向速度值中被放大;放大倍数与用来测速的两束光之间夹角有很大关系,当夹角较小时,原始误差会被放大十几倍甚至几十倍,且夹角越小,放大倍数越大.     

激光多普勒测速方法研究超声速冲击射流

在超声速射流噪声的产生中 ,喷嘴出口的激波栅格结构有关键的作用 ,激波栅格的间距是推测激波噪声基频的基本参数。应用激光多普勒测速方法对收缩喷嘴欠膨胀射流垂直冲击平板的流场进行了测量 ,获取了射流轴线上的速度分布。从该轴线速度的起伏推算出自由射流段的激波栅格间距与前人用接触测量方法得到的经验公式基本一致 ,但是比该经验公式值低 5 %以上 ,表明由该接触测量所得的经验公式描述的激波栅格间距可能大于实际的激波间距。     

LDV和PIV测速技术测量离心压气机内部流动的应用进展

离心压气机流场的精细测量对深入理解内部流动特征极其重要。传统的接触式流场测量技术存在空间分辨率低、堵塞效应严重、测量位置单一等缺陷,已经不能满足现代先进离心压气机的测量需求。激光多普勒测速技术（Laser Doppler Velocimeter,LDV）和粒子图像测速技术（Particle Image Velocimeter,PIV）作为两种典型的非接触式测量技术,具有测量精度高、适用范围广、非接触测量等特点,在离心压气机内部流场测量方面展现出巨大潜力。通过梳理国内外LDV和PIV测速技术测量离心压气机内部流动应用现状,介绍了LDV和PIV测速技术在离心压气机内流场测试方面的应用进展,着眼于试验方案、试验细节和技术难点,结合测量技术的未来发展趋势,从实际应用角度出发,对LDV和PIV测速技术在离心压气机内流场测量方面的应用进行了总结和展望。     

两相流动中固相和液相速度的同时测量

本文发展了一种同时测量两相流中固相和液相速度的方法。在通用的双光束LDV 基础上,采用前后向散射接收和门控、幅值鉴别和直方图鉴别等功能实现两相速度信息的区分。应用此系统测量了二维收缩、扩张管道中两相流动的速度分布。     

偏心底吹气体搅拌下冶金熔池水模型内三维湍流的实验研究

用一个圆柱形水模型模拟偏心底吹气体搅拌的冶金熔池,对模型内的三个典型剖面测量了三维速度场和湍流参数分布。方法是用二维激光多普勒测速仪在两个方向上测两次合成。面内的平行速度分布表明小流量偏心底吹熔池内的流谱为正循环流动。垂直速度分布表明,在气水两相流气泡柱附近有两个较强的圆周方向的环流,这种现象在中心底吹轴对称二维熔池流场中是不存在的。在气泡柱附近的区域内,速度模与湍动能值与较远的区域内的值相比要大得多,这就增强了这里的传热、传质和化学反应过程。在这里,气泡柱与壁面间的距离对湍流度的大小有影响,在速度值相近的情况下,较宽的区域内具有较大的湍流度值。     

高频振荡输气机理的实验研究

应用二维激光多普勒测试仪，对高频振荡通气的气体运输机理作了实验研究。按正交试验设计，得到了在不同状态下，树状人工肺各级气管的速度、湍流度及雷诺数。结果表明，ＨＦＯ是一种更为复杂的气体运输，为临床实践中应用ＨＦＯ输氧提供了理论依据。