PIV技术在近水平油水两相流研究中的应用

自行研制了用于油水两相流研究的PIV(粒子图像速度仪)实验系统.该实验平台主要用于研究近水平油井测量仪器内的油水两相管流.分别对水平油水两相流中的分层流和分散流的速度场进行了测量.油水两相流流动速度分布与单相流有着明显不同的特征.油水分层流情况下油相和水相之间存在比较显著的速度滑移.而在水包油分散流的情况下,由于油滴平均直径在径向上的不对称分布,以及小油滴具有更好的跟随性等原因,油滴的轴向速度也呈现不对称性.PIV技术在油水两相流研究中展示出良好的应用潜力.     

压强场非接触测量新建议

掺有碘分子的流动流体,在激光的作用下会产生感应的荧光发射,激光感应的碘分子荧光包含有压强的信息,采用成像法,得到的是压强场在一个平面上的分布,因而这一测量是多点测量。作者测量了压强对激光感应的碘分子荧光的影响,去除喇曼散射引起的散射峰,提出了直接利用激光感应的荧光测量流动流体的压强场的非接触测量新方法,还探讨了这一方法的理论和实验方案。     

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.     

显微PIV系统与实现

显微PIV系统可用于流体微观层次以及微流体流动的测量,可获得流体速度的场信息以及其中颗粒的场信息。本文主要介绍显微PIV系统所涉及的显微图像获取技术以及图像处理算法。该系统由硬件与相应软件系统组成。其中,硬件主要包括放大倍数为1000倍的光学显微镜以及最大拍摄速度为10000帧/秒的高速摄像系统;IMPACT软件为自行开发的基于C++系统的面向对象程序,其中内嵌多种数据处理与分析算法。通过对尺寸为1μm颗粒运动的测量,对不同数据处理算法进行了检验,结果表明:建立的显微PIV系统可有效获得微观流体流动的图像并可准确进行数据的处理,该系统完全可用于微观流体流动的测量。     

SiO2-水纳米流体在波壁管内流动特性的实验研究

实验研究了不同质量分数的SiO2-水纳米流体在波壁管内的流动特性,由于波壁管自身的结构特点,使流体在较小雷诺数下达到湍流状态,可以方便测出流体在层流、过渡流、湍流区的流动特性.研究发现:相同温度条件下,纳米流体的粘度随着质量分数的提高而增大;流动可视化照片显示纳米流体中由于内部纳米粒子的微运动促使流体均匀性更好;沿程阻力测试表明在层流区内摩擦系数随纳米流体质量分数的增加而增大,在过渡流和湍流区内摩擦系数随质量分数增加变化不大.     

纳米颗粒在储层微流道中的减阻机理实验研究

用SNP1-1、SNP2-2和SNP2-4三种疏水纳米材料分别与柴油配制成3种油基纳米液,用SNP2-2分别与ND3和ND4配制成2种水基纳米液,通过岩心流动实验测试了这5种纳米液的减阻效果.实验结果显示,3种油基纳米液使岩心水相渗透率提高了42%、49%和24%,2种水基纳米液分别使岩心水相渗透率提高了17.5%和75%,5种纳米液都具有减阻效果,但不同纳米液的效果差异明显,这说明增注液不具有唯一性,但纳米粒径、修饰剂和分散剂对减阻效果有明显的影响.测试了SNP2-2油基纳米液处理岩心的耐冲刷能力,岩心经180倍孔隙体积(PV)水的驱替,仍具有一定的效果,说明纳米边界层流道壁面有较强的吸附能力.现场采用SNP2-2和ND4配制的纳米液进行了三口井的增注试验,注水压力最大降幅12.5MPa.研究结果与实验前的设想相符,较好地说明了纳米减阻机理.     

电磁流体动力驱动流体搅拌混合器特性研究

对小型电磁流体动力搅拌混合器的特性进行了理论分析和实验研究.该小型电磁动力混合器由聚碳酸脂和黄铜采用常规机械加工方法加工而成.研究采用的流体为氯化钠水溶液.为了观察流体的搅拌混合运动,在流体中加入微量微细玻璃珠作为示踪粒子.采用显微观测及图像采集技术记录流体的搅拌混合过程,用数字图像处理技术对流体速度场进行分析.建立了搅拌混合器的理论模型,并对其动力特性进行了数值分析,理论结果与实验结果相吻合.该小型电磁动力混合器已应用于微管道流动的混合控制并可应用于其它微流体控制系统中.     

微尺度聚合物熔体的非等温平板收缩流动数值仿真

聚合物流体的收缩流动行为是微注射成型工艺过程中影响分子取向与结构的重要因素。本文采用基于有限元求解法的通用CFD软件Fidap，结合适当的边界条件，实现了微尺度条件下聚合物熔体的4：1非等温平板收缩流动的数值模拟，所用流体粘度模型为Carrcau方程，有限元单元为4节点四边形网格。结果表明，流体下游速度明显高于上游速度，速度梯度在收缩人口处明显增大，下游压力梯度大于上游压力梯度，且最大剪切速率出现在收缩人口拐点处。将仿真结果同相关文献的结果相比较发现，仿真所得聚合物流体在收缩流动过程的速度、压力及剪切速率分布规律与其在宏观尺度下的结果具有定性一致性，而温度分布则存在一定偏差。因此，宏观收缩流动仿真研究中的控制方程及本构方程仍适用于微尺度条件下流体的等温收缩流动仿真研究，对非等温微流体收缩流动行为的研究则要对能量方程做进一步修正。     

结构光照明技术在瑞利散射成像去杂散光应用中的研究

激光片光成像技术在流场测量领域的应用前景十分广阔，但该类测量技术在实际测量中都会受到杂散光或背景光干扰的影响，降低了光学成像质量。因此，开展了将结构光照明技术应用到激光片光成像测量中来消除杂散光干扰的研究。结构光照明技术是一种新型的杂散光抑制方法，可以将原始图像数据分为有效信号和杂散光（来自于激光片光焦平面外的干扰光）两部分，在后期数据处理中，有效信号会保持不变，而杂散光会因为空间频率不同而被剔除掉。首先，基于Matlab软件理论分析了该类方法消除杂散光的作用；其次，设计了一套应用于瑞利散射成像的结构光照明测量装置，主要由连续激光器、Ronchi光栅和EMCCD相机组成，其中Ronchi光栅用于产生正弦光强分布的激光片光。最后利用该测量装置在McKenna平面火焰炉上开展了瑞利散射图像测量实验，验证了结构光照明的方法具有消除杂散光影响、提高瑞利散射图像精度的作用。     

超声相关加权合成断面成像检测方法研究

本文首先介绍了合成孔径聚焦超声成像的基本原理。针对提高成像的分辨率和信噪比问题，研究了原始采样信号的相关性，提出了一种基于信号相关度加权的合成新算法和原始数据预处理方法。利用改进方法对试样进行了断面成像实验，实验结果表明：与传统的延时一叠加合成孔径算法相比，新方法提高了图像的横向分辨率和信噪比，改善了图像质量。     

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。     

二维翼型实验的侧壁影响研究

本采用油流显示技术，测量模型弦向和展向压力分布的方法，对二维翼型风洞中的侧壁附面层影响进行了研究。为能更详细了解侧壁对模型的影响，采用不同弦长的模型和两个不同风洞的实验结果比较的方法，由油流显示揭示侧壁干扰流动图画，利用侧壁抽气和干扰修正方法，来消除侧壁对模型的影响，实验结果表明，选取合理的抽气方式可得到有效的二维实验结果。     

荧光微丝在低速风洞试验中应用的关键技术研究

荧光微丝法是将含有荧光物质的直径极小的丝线粘贴布置于模型表面,在紫外线照射下呈现出明显的荧光效果,以此来显示模型表面流场的试验方法,能减小丝线对流场的干扰进而更加真实地反映流场特征。基于在西北工业大学NF-3低速风洞中进行的某大型民机增升装置风洞试验,完成了低速风洞中使用荧光微丝法进行表面流动显示的关键技术研究,包括荧光微丝的制成及粘贴方式、光源的选择及拍摄技术等。模型机翼上表面丝线在不同迎角下的流谱清晰直观、区别明显、易于判读,可较为精细地反映流经翼面的气流状态和范围,并可清晰反映表面流谱随模型姿态角的连续变化情况。同一工况下与荧光油流流谱相一致,说明可较准确地显示流场。与测力试验结果的对比可以看出,荧光微丝流谱结果与测力结果相对应,可以更好地用于流场分析。     

剪切流场中W/O乳状液分散相液滴破裂的临界条件

探讨剪切流场中牛顿型W/O乳状液的分散相液滴破裂机理及临界破裂条件,总结了Taylor小变形理论、De Bruijn理论和临界乳化理论3种确定临界破裂半径的方法,并尝试用其预测旋流场的液滴破碎情况,为油水分离设备内流场合理的剪切分布提供理论依据.采用Couette双圆筒装置形成薄层剪切流场,研究白油包水型和硅油包水型乳状液滴的破裂形态和临界破裂半径.实验结果表明:不同粘性比的实验介质,其分散相液滴的破裂形态和临界破裂理论的适用性不同,在实际应用时应根据流场特点和乳状液的物性特点具体分析.依据某型旋流器的流场数值模拟结果,剪切流场中的临界破裂理论可用于初步预测旋流场中给定粒径分布的乳状液能否被有效分离,但还需进一步的现场测试和分析,引入与流场的湍动强度相关的修正系数.     

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。     

表面微纳结构对气-水界面稳定性和流动减阻的影响

利用压力-流量测量和流动显示方法研究了6种具有不同微纳结构尺寸的超疏水表面的减阻效果以及表面微结构形状对气-水界面稳定性的影响。实验结果表明:设计的各种超疏水表面在层流和湍流下均具有一定的减阻效果；在相同的固体面积分数情况下，微结构间距越小，减阻效果越好；在具有最小结构间距的微纳二级结构表面上实现了最大减阻率（38.6±4.5）%。流动显示观测发现:减阻率与微结构的层级、尺寸、形貌及槽道流态有关，它们均对气-水界面稳定性有一定的影响，揭示了复合微纳结构之所以能够显著提升减阻效果，是由于添加纳米二级结构减小了原有表面的固体面积分数，并提高了气-水界面的稳定性。此外，对于具有双内凹（伞状）微结构表面的微槽道，即使表面为亲水材料，也可以有效捕捉气体，形成稳定的气-水界面，从而实现超疏水性能。     

在轴流风扇中的流场测量和显示

介绍了利用激光多普勒测速仪(LDA)和激光片光流场显示技术在一轴流风扇转子叶尖附近流场测量得到的结果.试验结果表明,转子叶尖处的通道涡并不是叶尖间隙流卷起造成的,而是由于端壁附面层受到叶尖间隙流的横向冲击后从机匣壁面上脱落形成的.     

合成射流控制翼型分离的流动显示与PIV测量

合成射流是一种新型的流动控制技术,近年来引起广泛关注.本文首先利用热线风速仪测量了基于声激励的合成射流流动特性,确定了最佳输入信号频率;采用流动显示和PIV测试技术,研究了合成射流对二维翼型分离流动的控制效果.研究结果表明,合成射流可以有效地抑制二维翼型在大迎角下的分离流动;PIV测试结果进一步表明,合成射流开启后使翼型上表面分离区域减小,分离点后移.应用合成射流控制翼型流动分离,可以大大改善翼型在大迎角下的气动特性.