基于 PIV 速度场测量重构压强场的研究进展

利用PIV测量得到的速度场数据重构空间压强场是一种新颖的压强测量方法。目前国外的一些仿真计算和风洞实验已经证明了该方法的可行性和有效性。本文首先详细介绍了基于PIV速度场测量重构压强场的基本原理--两种压强梯度计算方法（拉格朗日方法和欧拉方法）和两种压强积分方法（平面 Poisson 法和直接空间积分法）,然后从速度场测量、压强梯度计算和压强分布计算3个方面综述了基于PIV速度场测量重构空间压强场的关键技术及相关的研究进展,最后从 PIV 速度测量的改进、参数的优化设置、算法的改进与创新、探索并完善3D压强分布计算、可压缩流动条件下的压强重构技术等5个方面探讨了该方法的发展方向,以期引起国内同行对该技术的高度重视并为其进一步发展提供一定的参考。     

非对称喷管超声速流场的PIV实验与数值模拟

选取了跟随性能以及散射性能都上佳的二氧化钛粒子,利用了粒子图像测速仪(particle image velocimetry,PIV)对不同落压比下的非对称喷管(single expansion ramp nozzle,SERN)流场进行了测量,成功获取了相应流动结构,以及沿程上壁面压力分布和速度场等.在测得的图像中,可以清晰地观察到由于过膨胀产生的激波与膨胀波系,并进一步获得出口速度分布.运用计算流体动力学数值模拟方法,对实验状态下的非对称喷管进行了模拟.对比结果发现:PIV实验测得流场结构能很好地与其吻合,这互相验证了CFD计算和PIV实验的正确性及可靠性.      

粒子图像技术测量带尾缘吹气静子尾迹特征

采用粒子图像测试技术(PIV Particle Image Velocimetry)和热线相结合的方法,对静子尾缘有无吹气条件下尾迹区流场进行测量,得到了不同尾部吹气量下的静子尾迹区的流场,通过测量得到了尾迹区的流动显示、速度矢量图和涡量图,并根据无动量亏损厚度确定了纯尾迹、弱尾迹、无动量亏损尾迹和射流四种尾迹流动特征。同时对PIV测试结果和热线测试结果进行了对比,两个实验结果比较吻合,验证了PIV实验的准确性,实验结果认为无动量亏损尾迹区与纯尾迹流动相比具有速度周向变化小和脉动小等特点。     

不同类型防护林绕林流场的PIV测量

利用粒子图像速度场仪(PIV),采用2帧-互相关的分析技术,对紧密型、疏透型和通风型防护林流场的流动特征在环境风洞中进行实验研究.通过PIV系统测量,得到不同类型防护林绕林流场的速度矢量图、流线图和涡量场图,并对各个流场特征进行探讨.     

多级轴流压气机转子通道流场的PIV测量

在四级低速大尺寸轴流压气机实验台上,基于粒子图像测速仪(particle image velocimetry,简称PIV)系统,发展了适用于多级叶轮机械转子内部全通道流场测量的PIV技术.自行研制了光学潜望镜和锁相触发装置,并在第3级转子的外机匣处开设了测量窗口.在设计工作点,对第3级压气机转子叶片全通道的流场进行了详细测量,获得了8个不同叶高截面处的二维速度矢量场.实验结果与三维定常Navier-Stokes(N-S)方程计算结果的对比分析表明:PIV测量结果合理地反映了转子通道内部的流场结构,第3级转子叶尖部分存在尺寸大、影响区域广的叶尖泄漏涡,泄漏涡控制了叶尖区域的流场,而气流在通道其余部分的流动状态较好,不存在明显的低速区.      

基于TDLAS技术的喉栓式变推力发动机羽流速度特性

为研究喉栓式变推力发动机动态调节过程的羽流速度特性，采用有限速率化学反应模型和动网格方法，建立了考虑后燃反应的发动机羽流动态仿真模型。基于可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术测速原理，对羽流速度测量结果进行了仿真计算。分析了喉栓往复调节过程的羽流瞬态流场结构，探究了后燃反应及测量位置对TDLAS羽流测速结果的影响。结果表明：发动机羽流场结构随着喉栓往复调节呈周期性变化，喉栓趋于关闭时，喷口附近出现强激波，下游羽流速度分布更均匀，速度梯度对TDLAS测量的影响降低；后燃反应导致羽流下游速度和H2O组分分布发生显著变化，沿下游方向，后燃反应对TDLAS所测沿光路平均速度振荡幅值的影响逐渐增大；实际测量时，选取距喷口更近的测量位置可以降低后燃反应和速度梯度的影响，获得更接近轴线测点速度的结果。     

七孔探针测量剪切流场的误差分析和实验验证

有限直径的七孔探针在测量剪切流场时,会引入系统误差.本文通过数值模拟的方法,建立三维七孔探针模型,研究了平行流场的速度梯度、七孔探针直径、滚转角等因素对测量结果的影响,并进行误差分析.在实验中,本文选用典型的平行剪切流场——圆管射流——验证误差分析的结果.通过七孔探针测量剪切流场的实验,确定七孔探针对于剪切流场的空间分辨率.提出了七孔探针的“临界直径”的概念,并且绘制了误差随速度梯度和探针直径变化的曲面示意图,用以选择合适尺寸的七孔探针.     

航空涡轮发动机燃烧室内流场的PIV测量

设计了一种基于旋风分离原理的高压粒子发生器，并成功应用于高压状态下的航空涡轮发动机燃烧室内流场的PIV（粒子图像测速法）测量.在氢氧燃烧加热来流温度为813K、燃烧室压力为2.78MPa条件下，应用PIV技术开展了航空涡轮发动机单头部燃烧室复杂内流场测量研究，实现了高温高压条件下强旋流、强扰流、宽速域流场的PIV测量，获得了接近燃烧室工作压力工况下的流场速度和流场精细结构.结果表明:该型燃烧室内流场存在多处旋涡结构，形成回流区；流场旋流作用强，横截面流场存在顺时针大涡；主燃孔射流和掺混孔射流作用明显，射流穿透深度较大，对流场结构影响显著；高温高压状态下，流场结构与常温中压状态类似.      

基于互相关的光流测速法在湍流热对流中的应用

同时准确地测量大尺度流动结构和小尺度湍流统计特性对于理解湍流的能量传递规律有着重要意义。尽管粒子成像测速（PIV）技术得到了广泛的应用，但由于算法原理的要求以及商用相机分辨率的限制，PIV技术在同时获取大、小尺度流动特性方面并不实用。另一方面，近年来逐渐引起关注的光流测速法虽然可以实现单像素分辨率的大区域速度场测量，但其准确性通常受限于应用场景而难以保证。本文采用一种基于互相关的光流测速法来分析RayleighBénard对流的粒子图像，进而同时获得全局速度场和小尺度湍流特性。结果表明，这种方法不仅可以获得与PIV技术一致的全局场和流动强度，还能有效地解析出湍流耗散区的速度结构函数。进一步的，分别基于速度结构函数和定义直接计算而获得的能量耗散率不仅在数值大小上互相吻合，还与直接数值模拟的结果以及理论预测相一致。这些结果表明基于互相关的光流测速法在同时测量大尺度流动结构和小尺度统计特性上有很好的应用潜力。     

任意运动变形边界流场测量PIV算法的研究：薄膜涡激振动

提出了一种精确测量任意运动变形边界流场的粒子图像速度场PIV算法,能智能识别强流固耦合问题流场测量中任意运动变形的边界信息,然后生成贴体自适应的图像互相关计算窗口,计算获取运动变形边界附近的速度场数据。这一算法可大大提高任意运动边界附近流场的测量精度,为流固耦合问题的理论分析和数值计算验证提供可靠的高质量实验数据。针对数字合成给定流场的粒子图像序列,采用所发展的PIV算法对粒子图像区域中的运动变形边界进行了精确识别,高质量地复现了原始流场信息。最后,对低速闭式循环水洞中的钝体尾流柔性薄膜涡激振动现象进行了PIV实验测量,获得了柔性薄膜大变形运动状态下的瞬态流场特征。     

回流燃烧室流动特性试验

为了揭示有/无燃烧状态下燃烧室热态和冷态流场的特征和流动特性，针对某型回流燃烧室单头部试验件，使用粒子图像测速仪（PIV），测量燃烧室燃烧状态下不同截面处的热态流场，以及没有燃烧状态下不同截面处的冷态流场，探讨不同总压损失系数对回流燃烧室热态/冷态流场特征及流动特性的影响。研究表明:随着总压损失系数的增大，冷态条件下各截面流场结构基本保持不变，如射流孔穿透深度、射流角度、回流区位置及大小、流线等基本保持一致，但是各位置点速度大小逐渐增大。热态条件下各截面流场随着总压损失系数增大，流场结构也基本保持不变；相同总压损失系数时，热态流场与冷态流场存在差异，燃油喷射与气流的相对运动将会对燃烧室头部的流场结构造成影响，速度较冷态流动时略微增大。      

平面扩压叶栅流场犘犐犞与三孔尾迹探针对比测试研究

针对PIV技术在暂冲式高亚声速平面叶栅流场中遇到的示踪粒子投放问题,通过采用高压雾化式粒子发生器以及安装在稳定段前的撒播器,有效地使示踪粒子均匀地与主流混合,并成功开展了某扩压平面叶栅叶片槽道及出口尾迹可视化测量,获得了零迎角、进口马赫数0．2～0．8状态下的二维速度矢量场。为了验证PIV在叶栅流场测试结果的可靠性,在相同工况下,将PIV测量结果分别与数值计算结果和三孔尾迹探针测量结果进行了对比分析。结果表明：采用PIV技术测得的叶栅中截面二维速度矢量场合理地反映了叶片槽道及尾迹的流动结构,与数值模拟结果较为接近;PIV与三孔楔形尾迹探针在叶栅出口尾迹的测量所获得的气流速度和主流区的出口气流角重合性较好;尾迹分离区的出口气流角重合性略差,主要原因是尾迹区气流角超出了探针校准范围,这也说明了PIV测试技术优势。本文提出的PIV测量技术也可用于连续式叶栅风洞中。     

Method for utilizing PIV to investigate high curvature and acceleration boundary layer flows around the compressor blade leading edge

Particle Image Velocimetry (PIV) is a well-developed and contactless technique in experimental fluid mechanics, but the strong velocity gradient and streamline curvature near the wall substantially limits its accuracy improvement. This paper presents a data processing procedure combining conventional PIV and newly developed Mirror Interchange (MI) based Interface-PIV for the measurement of the boundary layer parameter development in the blade leading edge region. The synthetic particle images are used to analyze the measurement errors in the entire procedure. Overall, three types of errors, namely the errors caused by the Window Deformation Iterative Multigrid (WIDIM) algorithm, the discrete data interpolation and integration, and the wall offset uncertainty, comprise the main measurement error. Specifically, the errors due to the discrete data interpolation and integration and the WIDIM algorithm comprise the mean bias, which can be corrected through the error analysis method proposed in the present work. Meanwhile, the errors due to the WIDIM algorithm and the wall offset uncertainty contribute to the measurement uncertainty. Computational fluid dynamics-based synthetic particle flows were generated to verify the newly developed PIV data processing procedure and the corresponding error analysis method. Results showed that the data processing method could improve the accuracy of PIV measurements for boundary layer flows with high curvature and acceleration and even with significant flow separation bubbles. Finally, the data processing method is also applied in a PIV experiment to investigate the boundary layer flows around a compressor blade leading edge, and several credible boundary flow parameters were obtained.     

表面介质阻挡放电等离子体体积力实验

采用粒子图像测速(PIV)技术,在2200,4800,7300,14600Pa空气压力条件下,测量了高频高压表面介质阻挡放电(surface dielectric barrier discharge,SDBD)等离子体诱导流场.根据速度场和N-S方程求解了等离子体体积力分布,分析了空气压力和激励器电压对等离子体体积力影响.实验结果表明:相同空气压力时,激励器电压越高体积力越大.相同激励器电压时,体积力随空气压力升高减小.在体积力分布区域,体积力方向一致,较大体积力区域分布于体积力方向线上游,流场高速流动区域紧挨较大体积力分布区域,位于体积力方向线下游.     

中心突扩燃烧室PIV实验研究

利用PIV技术对两种不同尺寸的中心突扩燃烧室在不同入口速度条件下的冷态流场进行了实验研究,测量并分析了流场结构与来流速度、突扩比、喷管收缩段等因素的关系。实验结果表明利用PIV技术能较好地获得高速条件下燃烧室二维速度场;对于不同突扩比的燃烧室,突扩面后的流场结构类似,但回流区的最大负速度与入口速度的比例关系不同;在喷管人口处,流场在此处重新形成旋涡,其直径较大,但强度相对较弱。     

共轴式双旋翼悬停流场的水洞PIV测量

采用粒子图像测速(PIV)技术,对共轴式双旋翼在悬停状态下的流场进行水洞实验,测量得到旋翼流场的涡量和速度分布,桨尖涡的结构和脱落轨迹等直观整体的图像,研究了共轴式双旋翼悬停流场的气动干扰特性.为了比较,对单旋翼也进行测量.实验结果为直升机的气动计算和合理设计提供了可靠的实验依据.      

低比转速泵叶轮流道内部流动的PIV试验

介绍了粒子图像测速仪(PIV)、泵试验装置和试验方案.采用PIV技术,对3种流量下叶轮流道内部3个不同测量平面上的流动进行了试验研究,获得了速度矢量分布.探讨了速度分布沿叶轮周向和轴向的变化规律以及流量对速度分布的影响.结果表明,随着流量的减小,吸力面速度略有减小,压力面速度变化较为明显,当流量达到额定流量的0.6倍时,在压力面附近存在回流现象;在叶轮出口处,流量对相对速度方向没有明显影响;叶轮流道内部速度沿轴向分布均匀,绝对速度沿半径方向呈增加趋势,无量纲绝对速度的周向分量v_u/v从压力面到吸力面呈下降趋势,且随流量的减小而增大.研究结果为叶轮设计以及离心泵内部流动的试验研究提供了借鉴.      

不同压力下微秒脉冲表面介质阻挡放电流场实验

采用粒子图像测速（PIV）技术,在不同空气压力条件下,测量了微秒脉冲等离子体气动激励诱导流场的演化过程,分析了不同压力下的流场启动涡、流场结构和壁面射流.根据实验数据计算研究了诱导力随压力变化的空间分布趋势.实验结果表明:常压下和5500Pa压力下产生一个启动涡,19000Pa和11700Pa压力下产生两个启动涡.稳定流场结构随压力减少分别为L型、∽型和V型.压力减小,诱导流场对等离子体气动激励的响应时间减少,射流切向距离变短,距壁面法向距离增加.最大诱导力随压力降低减小,x坐标逐渐向表面介质阻挡放电（SDBD）激励器靠近.      

CCD互相关粒子图像测速及其在对抗流流场测量中的应用

在常规自相关粒子图像测速（ＰＩＶ）系统的基础上,发展了一个采用ＣＣＤ像机的互相关粒子图像测速系统。用这一新系统测量了对抗流流场的结果表明,这一技术克服了自相关粒子图像测速技术在测量具有滞止点的流场中的困难。实验说明,与自相关粒子图像测速技术相比,这一技术更快捷有效。