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。     

基于CFD耦合DEM并行算法的旋翼飞行器桨叶沙盲现象模拟分析

旋翼飞行器处于地效（IGE）悬停状态易吸入沙尘从而引起沙盲现象。为了研究出现沙盲现象时的悬停流场与沙尘的运动规律,采用基于雷诺平均 N-S 方程及 k-ω（SST）湍流模型,结合计算流体力学（CFD）与离散元（DEM）耦合并行算法,使用 Fluent 软件进行流场连续相计算;通过 API 传递流场信息至离散相,计算直升机旋翼的悬停流场,并与可得到的 PIV 测量结果进行对比;再将流场动量数据传输给离散相,计算沙尘的完整运动轨迹和颗粒分布。结果表明：在对流场精确模拟的同时,采用离散元方法对沙尘颗粒受力运动以及空间分布较好地模拟,能够多参数化地了解地效流场和细微沙尘颗粒受力运动规律,直观呈现沙盲的发展过程。     

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。     

共轴式双旋翼诱导速度的PIV水洞试验研究

采用PIV（粒子图像测速）技术,对共轴式双旋翼在悬停和以不同速度前飞时的流场进行水洞试验,测量得到旋翼流场的速度和涡量分布,主要研究了共轴式双旋翼流场的垂向诱导速度沿径向的分布规律。为了比较,对单旋翼也进行了测量。试验结果对共轴式直升机的气动计算和合理设计具有重要意义。     

焊接电弧波形和图像的同步采集与再现

进行了焊接电弧高速摄像图像和信号波形的同步采集和再现研究,给出了电弧图像和波形再现具体实现技术,并利用该技术成功地进行了电弧光谱信息检测熔滴过渡过程、二氧化碳短路过渡过程和变极性MIG焊电弧行为的研究。     

基于LabVIEW的铝合金焊接电弧检测系统

在LabVIEW环境下,构建了基于虚拟仪器技术的电弧焊参数和电弧物理形态的高速摄像测试试验系统,介绍了基于LabVIEW的铝合金电弧焊接监测系统软件设计方法,实现了电弧形态与电参数信息系统整合.进行了铝合金焊接电弧高速摄像图像采集与再现技术的研究,分析了铝合金VPPA离子弧、ACPMIG弧、VPTIG电弧行为,应用多传感器数据融合技术对焊接过程进行质量控制.     

基于CFD-DEM耦合数值模拟的全尺寸直升机沙盲形成机理

为了研究直升机发生沙盲时沙尘云在悬停流场中的状态和分布规律，采用基于雷诺平均Navier-Stokes方程和Menter 剪切应力输运（SST）k-ω湍流模型的数值模型，通过应用程序编程接口耦合基于Hertz-Mindlin （No Slip）碰撞接触模型的离散元模型，并基于"多球法"构建了更加真实的非球形沙尘颗粒，计算了沙尘颗粒在流场中的运动和分布状态。与可得到的试验结果进行对比，验证了数值方法的有效性，并进行了地效状态旋翼拉力系数、桨尖涡位置以及沙尘云形成的宏观轮廓图的计算。应用所建立的方法，对不同悬停高度的直升机地效流场进行了计算，给出了流场的涡量以及速度云图，着重对比了不同悬停高度下沙尘云中沙尘颗粒速度和分布情况，分析了地效流场对沙尘颗粒状态的影响及沙尘云的形成机理，并计算出了沙尘云宏观分布图。结果表明：流场中大部分沙尘颗粒只能在地表随流场扩散而并不能形成沙尘云；沙尘云中外层空间的沙尘浓度比内层高；位于桨盘平面下层区域的沙尘颗粒以径向运动为主，切向速度较小，而位于桨盘平面上层的沙尘颗粒速度方向各异，速度大小接近。     

PIV技术在复杂二相流场中的应用

光学元器件随飞行器在大气中飞行时,其工作性能越来越多地受到大气悬浮汇聚微粒的影响。大气微粒在复杂流场中呈现何种运动汇聚效应,对于合理准确评估机载光学元器件的工作效能具有十分重要的工程意义,而复杂气动流场中微粒分布状态的预估一直是飞行器外界环境研究中的一个难点。气动问题的复杂性、大气中微粒的多样性一直是制约各种试验手段展开、数值模型建立的主要因素。利用先进的激光粒子图像技术,在风洞中对舵面旋涡主导的复杂流场中的微粒速度及分布特性进行了实验研究。在测量舵面翼梢脱落旋涡特性的基础上,通过激光片光扫描流场全域,同时高帧频CCD相机同步曝光,利用PIV 拍摄到的流场中涡流截面内微粒分布的瞬态图像。结合图像后处理技术,对原始粒子图像进行互相关、二值化处理,通过对图像区域内的灰度值计算,统计相对流场截面内的粒子浓度系数,得到在复杂旋涡结构流场内瞬态粒子的分布特性规律。研究结果表明,利用大气中微粒在激光片光下的米氏散射原理,可以有效地拍摄到复杂流场结构下粒子光学散射及分布的特性图像,解决了传统环境测试设备无法对复杂条件下流场内粒子分布进行实时测量的缺陷;在旋涡为主导的流场中,大气中的微粒由向心力牵引,在涡核周围达到平衡运动状态,微粒环绕涡核形成一条环状带,这一区域中的粒子浓度系数要远大于自由流场中的微粒,涡核中心粒子呈“空洞”状态。     

基于图像的测量方法在工业风洞跨声速流测量中的最新进展

风洞中非定常复杂流场的实验研究要求先进的测量技术.基于图像的测量技术中最重要的是测量平面流速度场、平面压强分布、模型位置和变形、模型温度以及定量的高速流可视化等技术.DLR(德国宇航研究院)对这些技术的应用包括从低速流到跨声速流、从增升装置到螺旋桨和旋翼、从弹射装置和水塔储水罐尾迹流旋涡到三角翼上涡破裂现象等的研究.由于跨声速风洞的特殊环境,将基于图像的测量技术用于跨声速流要求专门的技术开发和有经验的科学家.给出了DLR空气动力学和流动技术研究所将基于图像的测量技术应用于跨声速流研究的最新进展.     

激波与固体颗粒群相互作用实验研究

为了研究FAE武器、温压武器中燃料抛撒问题,在垂直激波管里进行了气-固两相流的实验研究。主要研究激波（Ma=1．96）与3种不同堆密度的石英砂颗粒群相互作用,用高速摄影仪对颗粒在抛撒过程进行图像捕捉,得到颗粒在抛撒阶段的速度。研究颗粒群在超声速气流下的运动规律以及激波对颗粒群加速的影响规律,分析激波通过颗粒群时气-固两相流中的动力学过程。定量分析颗粒堆密度对激波的影响,得出了固体颗粒群受到激波作用后抛撒过程中纵向和横向颗粒云团体积增加,颗粒云团平均浓度减少;颗粒群的堆密度与颗粒粒径、抛撒初速度、反射激波的强度都成反相关关系。     

旋流器型式对空气雾化喷嘴雾化特性影响规律

采用试验与数值计算相结合方法研究了不同旋流器型式对双旋流式空气雾化喷嘴喷雾特性的影响规律.采用粒子图像测速(PIV)测量了不同空气雾化喷嘴下游流场结构,并且采用高速摄影仪和激光粒度分析仪,对不同空气流量和燃油流量下的双级旋流空气雾化喷嘴的油雾场形态、索太尔平均直径(SMD)、Rosin-Rammler分布进行试验研究;...     

高超声速飞行器DPIV内流阻力测量技术研究

为了研究吸气式高超声速飞行器的气动特性,提出一种新的内流阻力测量技术,即采用粒子图像测速技术和总压测量技术相结合,测量超燃发动机尾喷管流场速度矢量和皮托压力分布,间接获得内流出口处平均马赫数和内流出口处静压平均值,从而实现高超声速通气模型内流阻力测量。研究结果表明:粒子图像测速技术和总压测量技术相结合,成功地实现了内流阻力测量;试验获得的粒子图像,能够清楚地显示喷管出口位置内外流的分界面及边界层和边界层的尾迹;粒子图像测速试验获得的速度矢量场结果准确,精度高,能够提供远远超出传统测量技术所能提供的流场信息。      

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.      

浅水平板半岛尾流特性的实验研究

对于尾流的研究大都局限于岛屿型绕流体在展向非常长的情况，但是在天然环境和水利工程中出现的多为水深相对很浅的流动，并且很多是绕半岛形建筑物的流动。由于底部摩阻和壁面边界的限制，浅水域中的半岛尾流有着一些特殊的流动规律。笔者采用数字粒子图像测速(DHV)技术，在长30m、宽3．5m、高1m的水槽中比较系统地测量了浅水中绕平板半岛的尾流区流场，分析了大尺度旋涡的运动规律，得到了控制尾流流动形式的稳定性参数的临界范围。     

拖曳水池随车式PIV技术的研究与应用

PIV(粒子图像测速)技术在拖曳水池中的应用面临诸多困难。与水池岸基式PIV相比，随车式PIV具有设置灵活、连续采集的优点。介绍了中国船舶科学研究中心(CSSRC)拖曳水池随车式PIV技术的特点与功能及其发展。介绍该系统的三个应用：高速水面船模支架周围流动观测；全附体下带与不带前置导叶、螺旋桨的水下回转体模型尾部区域流场测量及两种不同艉附体与主体连接形式的水下回转体尾部流场的测量。展示了该系统的发展历程及其在船舶流场研究中的作用与应用前景。     

空间双组元发动机离心式喷注器的喷注流场诊断技术研究

对空间双组元发动机核心部件喷注器的喷雾流场可视化诊断技术开展了研究,有效识别了传统分析手段难以发现的雾化场缺陷,对发动机工作特性进行早期诊断,实现故障预防和设计优化.离心式喷注器的雾化喷注流场包含了大量的数据信息,可以通过高速摄影和图像分析进行数据挖掘分析.通过均值图像和余弦相似性计算对喷注流场的空间分布结构进行诊断,...     

大速差射流燃烧室内三维湍流气固两相流的实验研究

本文用二维激光多普勒测速仪和探针取样法对大速差射流燃烧室中冷态三维湍流气固两相流动进行了实验研究,测量了气相速度,颗粒速度、颗粒质量流分布及两相各自的湍流特性,探讨了高速射流作用下两相流场的主要物理特征及其对火焰的稳定和强化燃烧的作用。     

数值计算数据的流动显示模拟

在风洞试验中，光学流动显示技术是揭示流场特性的重要手段，为了把数值计算数据与流场显示结果进行直接比较，利用可视化技术把数值计算数据转化成阴影、纹影和马赫干涉条纹图像。首先根据有关研究结果和平面流动的特点，导出适于产生计算流场图像的关系式，重新计算流场数据，然后将导出的数据进行颜色编码。为了使图像效果良好、图像生成速度快，还介绍了一种自行设计的，时空效率较高的颜色编码算法。     

DPIV系统研制及其应用

笔者在北京航空航天大学流体力学研究所多年从事系统的PIV测试技术研究，经过科研攻关成功研制出目前国内第一套完善的实时数字式粒子图像测速(Digital Particle Image Velocimetry）系统，实现了速度场和涡量场的实时测量，而且已经成功地应用于各项流体力学的实验测量中，其中包括：1.5M超声速喷流实验，三角翼前缘涡破裂复杂流场测量实验，大型工程水洞流场校测，绕摆动圆柱卡门涡测量实验以及锥阀管道模型和漩涡分离器内部流场测量实验等^[1-3]。     

高速摄像系统用于火箭弹离轨参数测量方法研究

本文提出了高速摄像系统用于火箭弹离轨参数测量的方法，对设备布站方案、测量原理以及数据处理方法进行讨论，并给出了具体的参数计算公式。