聚焦纹影显示技术在激波风洞的初步应用

为了在激波风洞试验中满足流场的密度场定量测量、三维流场显示和大视场观测,发展了聚焦纹影显示技术.该技术具有对流场区域进行聚焦显示的特点,获得的流场信息主要反映某个测试区域的特性.笔者对该技术的原理、系统组成、调试情况以及风洞试验结果进行了介绍.调试和试验结果表明:(1)该系统灵敏度高,获得的照片清晰,使用激光光源时不受衍射和干涉噪声的干扰;(2)该系统可以获得急剧聚焦深度小于5mm、测试视场(100mm的聚焦纹影图像,通过改变成像平面位置可以获得不同区域的聚焦纹影图像;(3)静态和动态聚焦纹影图像灰度变化数据将为某聚焦区域密度定量值计算奠定基础.     

基于发散光反射式布局的大视场显示方法研究

更大尺度风洞和试验模型以及更长射流的流场测量，对流场显示的视场尺度提出了更高要求。设计和验证两种基于发散光反射式布局的大视场显示方法，分别为反射式聚焦纹影方法和反射式阴影方法。通过改进源格栅和光源，在实验室搭建了一套反射式聚焦纹影显示装置，获得了直径约1.5 m的视场结果。视场均匀性和试验条件下的最短曝光时间表明该方法可用于大型风洞及其他场合的大视场显示。同时，为解决试验现场振动较强的测量问题，搭建了发散光反射式阴影显示装置，获得了约2.5 m长度的燃烧射流流场显示结果。最后根据发散光反射式流场显示方法的特点，开展了其在大型风洞布局的适用性评估，结果表明:该方法完全适用于大型风洞的大视场显示。     

高速聚焦纹影改进及应用

聚焦纹影技术能对垂直于光轴的特定平面内的流场细节进行显示,该特点使其成为近年来被重新研究的流场显示技术之一.本文在综合考虑了锐聚焦深度、非锐聚焦深度、灵敏度和清晰度等指标情况下,结合风洞实际情况,研制了一套聚焦纹影装置.主要在均匀照明流场、切割光栅的制作和不通过成像屏的高速相机直接记录等方面进行了改进工作,得到了较好的显示结果,并在小激波风洞上进行了相关的验证工作.同时,对采用聚焦纹影显示高速变化的流场也进行了探索,提出了相关的建议.     

激波风洞流场密度测量的聚焦纹影技术

在激波风洞试验中发展了聚焦纹影显示技术,对流场的密度进行了定量测量.聚焦纹影显示具有对流场区域聚焦显示的特点,可获得流场某个聚焦测试区域的密度变化信息.依据聚焦纹影成像原理建立了密度计算数学模型,对试验中获得的带窗口模型流场聚焦纹影图像与试验前获得的流场图像灰度变化处理后,得到了流场聚焦区域的密度定量值.试验测量密度值与数值计算结果进行了比较,结果表明试验获得的密度值变化规律与数值模拟吻合较好,证实了利用聚焦纹影技术开展流场密度测量是可行的.     

双截面聚焦纹影技术应用研究

通过支板尾流结构显示实验,研究了使用双截面聚焦纹影技术显示复杂流动的可行性.双截面聚焦纹影系统能在一次实验中得到两个不同位置的聚焦纹影图片,并能保证两张图片反映的是同一时刻的流场结构.比较了普通纹影与双截面聚焦纹影系统捕捉三维流场结构的能力,证明聚焦纹影技术显示复杂流场是有潜力的.为使之能够清晰地反映复杂流场的三维特征,还需在缩小聚焦区厚度和提高信号质量方面做工作.     

基于BOS技术的密度场测量研究

背景纹影技术是一种基于图像的大视场、非接触的定量流场测试技术,在流场测量中有着广阔的应用前景。详细介绍了背景纹影技术的基本原理,并从理论上对系统灵敏度以及空间分辨率进行了深入分析。根据背景纹影技术原理,深入设计了背景斑点图案,搭建了密度场测量系统,基于火焰流场和喷流流场开展了定量测量研究,并给出了流场密度和温度分布测量结果。结果表明,背景纹影技术可以便捷、有效地实现流场密度测量和温度测量,为实现大视场定量的流场密度测量提供了一种简洁有效的方法。     

二维灵敏彩色纹影技术

本文介绍了一种能同时探测流场中二维的气流密度梯度,又能任意调节系统灵敏度的彩色纹影技术。其工作光源是一个由红、绿、黄、蓝四种颜色构成的“口”字形彩色狭缝。刀口机构由四片均可微调的刀刃组成。用这种技术拍摄的纹影照片色彩丰富,且以不同的颜色代表着流场中不同方向的密度梯度。此技术特别适用于纹影镜为球面反射镜的纹影系统。     

纹影技术中光源的选择与设计方法

在纹影技术应用过程中,纹影光源的性能一定程度上决定了拍摄结果的优劣.不同种类的光源,得到的拍摄效果不同,对于某种特定拍摄需求,光源的选择和设计也不同.如何选择和设计合适的纹影光源,对于最终拍摄结果的好坏至关重要.结合纹影技术在工程实际中的应用,分析了不同被测对象对光源的需求,总结了几种常见光源的应用情况及其特点,提供了一种光源参数设计的方法.在实验室典型超声速自由射流流场测量中,对卤钨灯、氙灯和激光3种纹影光源的应用进行了对比分析.所提出的纹影光源的选择与设计方法,具有一定的工程实验参考价值.     

高超音速边界层的几种光学显示方法

本文介绍几种显示高超音速模型边界层的方法。包括普通纹影、彩色纹影、单向放大纹影及聚焦阴影法。这些方法各有所长,可视具体情况加以选择。     

动态彩色纹影流动显示

对动态彩色纹影技术作了深入细致的阐述，并把此项技术广泛应用于超音速流场中捕捉激波等试验研究中，提供了一些实际应用的典型的流场彩色纹影照片，为波动理论研究提供了重要的实验图像（如波阵面的包波结构等）。     

流动显示中的圆管畸变及其校正

对玻璃圆管内的流场进行显示时,沿管径方向的光线成像存在畸变,使得圆管内流场显示的有效范围减小,必须进行校正才能得到圆管内流场更大的有效视场。通常采用和管壁焦距相反的柱透镜来校正管壁畸变。校正柱透镜的设计是关键,首先采用厚透镜焦距计算方法得到单侧管壁的等效焦距,校正柱透镜焦距与其值相同,符号相反。如果采用传统的平凸柱镜,进行光线追踪时效果并不理想。重新在ZEMAX光学软件中优化校正柱透镜的曲面参数和与圆管的距离,得到的结果为弯月校正柱透镜。按照参数加工圆管和校正柱透镜,采用栅格对其进行静态验证,证明了该方法的有效性,将有效视场增大到了大于80%,相比传统的外加平凸透镜方法,该方法得到的弯月柱透镜校正更加准确,并通过高速聚焦纹影给出了动态结果。该工作对于厚壁圆管内的流场显示等相关工作具有参考意义。     

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。     

横向喷流引起的三维复杂干扰流场结构研究

研究了横向喷流引起流动分离的干扰流场特性,利用表面压力分布测量和纹影、油流等试验方法研究了此类流场的细节结构,给出了干扰流场的结构分析图。     

隔离段激波串精细结构与压力特性实验研究

在马赫数为2.5的等截面隔离段风洞中开展了无控制和安装T形涡流发生器两种情况的瞬态流场结构显示与压力测量的实验研究。运用常规纹影和基于纳米示踪的平面激光散射技术（NPLS）对两种不同状态的隔离段激波串三维流场精细结构进行了显示测量。结果表明:较传统纹影的测量结构而言，NPLS精细测量能够得到湍流边界层、激波串、分离区等细节结构。T形涡流发生器产生的展向涡与激波串相互作用，激波串前缘结构为分叉正激波，紧跟其后的第二道激波实际上结构与其类似。同时采用高频压力传感器对两种隔离段中激波串的壁面压力进行了测量，采用常规统计分析方法和差分平方累和方法对激波串压力分布、脉动及其上传特性进行了分析。分析表明，差分平方累和方法可以有效检测激波串的前缘位置。     

一种应用于水流的纹影特性光流测速算法

本论文基于光流优化算法，发展了一种适用于水流的纹影特性光流测速算法。在存在密度梯度的条件下，纹影图像的亮度反映了流场折射率的一阶导数，结合纹影亮度方程和流体连续性方程推导了适用于水的物理约束条件，采用二阶散度–旋度正则化作为空间平滑约束条件，基于两个约束条件构建了能量方程，通过变分法对能量方程进行最小化求解获得速度场。以热羽流为例，使用该算法对浮力羽流纹影图像进行了计算，并与互相关算法和传统光流算法的结果进行了比较。结果显示:本研究提出的算法能更好地体现流动特性，得到更高的空间分辨率。该方法基于纹影图像，无需在流场中添加示踪粒子，对流场无干扰，具有结构简单、使用方便等优点。     

超声速燃烧室凹槽动态特性试验研究

为研究超声速燃烧室中凹槽火焰稳定器的流动特性,对来流马赫数2.0条件下各种构型的凹槽流场进行了试验研究.得到了不同几何构型凹槽流场的纹影结果,采用动态压力传感器研究了凹槽流场的频谱特性,计算了凹槽流场自激振荡压力的均方根,并将试验结果和Rossiter经验公式预测结果进行了对比.