HPIV及其初步应用研究

全息粒子图像测速技术（HPIV）为一种对流体容积（三维空间）进行瞬时三维 (u,v,w) 速度场测量的技术.本项研究采用了双YAG脉冲激光器二次曝光、漫射照明、参考光对称布置全息术记录三维空间的粒子三维位移场,再现粒子空间场又采用了体视粒子图像测速技术分别截取各切面上的粒子三维位移场,其中由于采用了不同方向的参考光分别再现不同曝光时刻的粒子图像,可以用互相关技术,实行位移方向的自动判别.本项技术用 于立方体对角水流中的三维旋涡流动的瞬态三维速度场的初步测量.本文给出了瞬时复杂的三维旋涡部分空间结构和速度场分布图.     

雷诺数对后向台阶剪切层转捩特性的影响

二维后向台阶分离流动是研究流动分离再附特性及机理的经典物理模型.运用二维时间解析粒子图像测速（PIV,Particle Image Velocimetry）技术,对雷诺数在300~3 000 之间后向台阶分离再附流动进行了二维速度场测量,研究后向台阶层流剪切层转捩位置随雷诺数的变化.研究发现,随雷诺数的增大,再附点的位置不断前移,转捩点的位置随之前移.转捩点在剪切层中的相对位置与雷诺数成反比函数关系.另外,在转捩发生之前,扰动会经历一段线性增长阶段,其空间增长率与雷诺数正相关.     

火焰稳定器截面燃油浓度分布的测量

本文研究了用电保温取样感头和连续取样的燃气分析方法在高速气流中测量火焰稳定器截面燃油浓度分布的试验技术。测定了稳定器截面气流速度与方向,修正了气流方向对取样精度的影响。确定了测量稳定器截面燃油浓度分布的等流动取样方法。取样总误差为±5％的量级。     

基于Poisson圆盘分布的河流仿真技术

针对目前河流仿真所存在的计算效率低,渲染效果不够真实的问题, 介绍了一种基于物理规律的河流实时仿真的方法.提出了一种Poisson圆盘分布的算法,可实现屏幕空间的优秀的分布样式,该算法产生的分布粒子用于表达河流的速度场,进而重构河流表面; 采用一种纹理精灵的技术,通过纹理的动态访问和纹理混合,有效地实现河流表面的渲染.仿真实验证明:该方法可以产生渲染效果非常逼真的河流视景,并能够满足实时仿真的要求.     

数字全息粒子图像测速技术研究

 通过全息照相及再现的理论分析,进行了数字全息计算机数值模拟,利用快速傅里叶变换技术(FFT)对拍摄到的干涉条纹进行了图像复频域的信号分析,实现了数字全息的复频域滤波技术和全息图的小景深再现技术,应用于数字全息粒子图像测速DHPIV(Digital Holography Particle Image Velocimetry)技术.并对立方体对角复杂流动流场进行了试验测量,得到了空间中的三维速度向量场分布,进而得到了三维流线的空间分布,实现了具有时间序列全流场三维空间的三维速度场测量.     

蜻蜓翼三维流动结构的演变

为了与蜻蜓前后翼流动干扰的流动结构作比较,首先研究了悬停飞行状态下单个蜻蜓翼周围的三维流动结构,利用一套机电拍动翼运动模拟机构模拟了一个蜻蜓翼的拍动,使用数字体视粒子图像测速技术(DSPIV,Digital Stereo Particle Image Velocimetry)和多切面锁相技术分别测量了两个下拍拍动相位时刻(t=0.25T,0.375T)和两个上拍拍动相位时刻(t=0.75T,0.875T)蜻蜓翼周围的瞬时空间三维流场,运用局部涡识别准则中的λci准则来识别和显示了流场中的三维涡结构,还展示了蜻蜓翼各个展向测量截面中的|ωz|等值线、蜻蜓翼前缘涡的涡核线相对于蜻蜓翼上翼面的空间位置以及前缘涡在各个展向测量截面中的截面环量等.实验结果揭示了蜻蜓翼周围的三维流动结构在蜻蜓翼拍动时的演变历程.     

气液两相流中气泡速度的电磁互相关测量

气液两相流作为一种工业领域中普遍存在的流态,在测量时需考虑气相和液相间的速度差。相较于流动规律平稳的气相而言,研究不稳定的气泡流动状态具有更高的技术难度。本文针对空气-水为工质的两相流中一项重要参数——气泡速度进行测量,引入基于互相关运算的电磁检测方法,通过提高系统激励频率得到较大的检测信号。实验设计了高频(1 MHz)电磁检测系统,选用垂直上升管道,并在管道的2个平行截面分别安装电磁传感器,每组传感器均包含一个激励线圈及一个接收线圈,对2组接收线圈上的相位信号进行互相关运算,从而求得气泡的速度。实验中,对3种不同速度气泡采集到的信号进行了对比分析,相对误差控制在10%以内,提供了一种完全非接触非侵入的测量气泡速度的方法。此方法可以进行后续补充完善,用于其他工业场合,如金属液中气泡参数的测量等。     

基于连续性条件的体PIV后处理技术

对粒子图像测速技术(PIV,Particle Image Velocimetry)体空间内三维速度场的后处理技术进行研究,引入不可压缩连续性方程的约束对实验测得流场进行修正,使得修正后流场严格满足差分形式的连续性方程.通过流场修正的后处理技术实现拉格朗日乘数法求解全流场修正速度场二范数的极小值.理论推导严格证明了修正后的速度场在数学上更接近满足连续性方程的真实流场.对解析流场引入高斯噪音来进行人工模拟的测试,其结果进一步验证了修正后流场能更趋近于真实流场,对流场中出现的PIV常见的高斯分布噪音有一定的消弱作用.该技术被成功应用于实验数据的后处理,结果表明其能改善测量速度场的平滑度.     

基于连续性条件的体PIV后处理技术

对粒子图像测速技术(PIV,Particle Image Velocimetry)体空间内三维速度场的后处理技术进行研究,引入不可压缩连续性方程的约束对实验测得流场进行修正,使得修正后流场严格满足差分形式的连续性方程.通过流场修正的后处理技术实现拉格朗日乘数法求解全流场修正速度场二范数的极小值.理论推导严格证明了修正后的速度场在数学上更接近满足连续性方程的真实流场.对解析流场引入高斯噪音来进行人工模拟的测试,其结果进一步验证了修正后流场能更趋近于真实流场,对流场中出现的PIV常见的高斯分布噪音有一定的消弱作用.该技术被成功应用于实验数据的后处理,结果表明其能改善测量速度场的平滑度.     

角区三维分离流附着鞍点拓扑结构及其演化

实验研究角区层流边界层三维定常分离附着鞍点拓扑结构的存在性及其演化规律.二维粒子图像测速(PIV,Particle Image Velocimetry)激光片光源设置于给定平板和不同模型组成的角区对称面,采用微距镜头捕捉对称面奇点附近的局部流动拓扑结构.实验证实在一定流动参数条件下多种形状模型与平板形成的角区均存在有别于经典分离的附着鞍点拓扑结构;随着雷诺数增加或者随着模型钝度的变化,附着鞍点拓扑结构与经典分离鞍点拓扑结构之间存在着一定的演化规律;对附着鞍点拓扑结构与Lighthill经典三维分离模式的关系进行了分析,表明Lighthill经典三维分离模式也适用于分析附着鞍点拓扑结构.     

绕三角翼流动中的非定常现象研究

利用流动显示技术、片光技术及PIV技术,对三角翼面上的各种非定常特性做了研究.分别对涡层中的小涡结构,二次涡同主涡相互作用所引起的二次涡的喷射效应,螺旋破裂扰动的非定常特性,涡破裂点沿轴方向振动的非定常特性,以及完全分离流中的非定常特征进行了较为细致的研究,给出了不同扰动的频率特性.      

共轴式双旋翼尾迹流场的水洞PIV测量

采用粒子图像测速(PIV)技术,对共轴式双旋翼在悬停和以不同前进比前飞时的流场进行水洞实验.将激光片光定位于旋翼的纵向截面,桨叶的方位角和图像的获取是同步的.测量得到了旋翼流场的瞬时涡量和速度分布、桨尖涡的结构和脱落轨迹、悬停时的尾迹边界收缩和前飞时的尾迹边界倾斜角等.研究了不同状态下共轴式双旋翼流场的气动干扰特性.为了比较,对单旋翼也进行了同样的测量.实验得到了有价值的结果,对共轴式直升机的气动计算和合理设计具有重要意义.      

近距离DPIV粒子成像分析

在PIV(Particle Image Velocimetry)近距离拍摄中,通过对在非傍轴成像条件下薄透镜成像公式的推导,求得粒子图像成像点的近似解析解,对粒子图像的成像位置在PIV图像计算中的影响作了讨论;同时也对已知直径粒子进行了试验拍摄,将试验所得的数据与理论推导的结果进行了比较,对在近距离拍摄中光圈对粒子成像的影响给出了定量分析.      

开缝圆柱缝隙倾斜角对脱落涡的影响

开缝圆柱绕流作为钝体绕流研究的分支,具备很强的应用前景,但是对其复杂的流动现象的物理本质的理解仍不完善。本文采用流动显示技术和粒子成像测速技术(PIV),探究缝隙对开缝圆柱流场结构的影响,在数据处理方面采用本征正交分解(POD)方法对开缝圆柱流场信息进行了重建。实验研究表明:在一定雷诺数范围内,开缝圆柱缝隙的存在从根本上改变了圆柱绕流近区尾流的结构;开缝圆柱脱落涡的脱落频率对开缝圆柱缝隙倾斜角具有一定的敏感性,随着缝隙倾斜角的增大其斯特劳哈尔数逐渐变大,对比发现开缝圆柱狭缝比(缝隙/直径)为0.15时较0.10的斯特劳哈尔数具有更强的稳定性。     

鸭翼布局中双立尾对全机气动及流场特性影响

在战斗机先进气动布局研究中,双立尾位置的选择始终是一个十分重要的问题.不适当的双立尾位置会给飞机纵横向气动特性带来严重的影响.对一种鸭翼布局的飞机模型,按3种不同的双立尾配置进行了气动力测量、流态显示,然后用PIV(Particle Image Velocimetry)进行了不同迎角下的流场测量.结果表明:双立尾处于飞机内侧后置内移位置其最大升力系数具有最大值.破裂过程及流场特性同无双立尾时的情况十分相似,进而说明双立尾同机翼涡的干扰主要是促进了涡的提早破裂,从而恶化了全机气动特性.      

超音速喷流DPIV瞬时速度场实验测量

介绍了采用数字式互相关粒子图像测速系统(DPIV)在测量超音速喷流实验中的应用;实验给出了设计马赫数Ma=1.5的小型拉瓦尔喷管在不同总压和反压比条件下,喷流速度场、流线、涡量分布等定量信息.实验结果显示出流场中激波前后流体速度,涡量分布的明显变化,波系的结构和不同于一维管流的流动特性.     

基于涡系相交不稳定性的飞机尾流控制方法

在飞机飞行的过程中尾涡会伴随着升力产生,威胁后机的飞行安全.在简化机翼模型上添加扰流片,通过一个矩形翼以引入一个与主翼尾涡大小不同、方向相反的小涡,构建尾流自消散四涡系统,以期诱发尾涡的Rayleigh-Ludwig相交不稳定性.通过改变扰流片的大小形状,调整模型的攻角和拖曳速度,采用粒子图像速度场仪测量系统定量研究在低雷诺数下单主翼尾涡发展特性以及双涡相互作用特性.研究表明:在未添加扰流片时,尾涡环量在45个翼展内相对于初始环量基本保持不变;在添加扰流片的情况下尾涡的环量衰减可以达到35%~55%,而未添加的基本翼型的尾涡的环量则几乎保持不变,这说明添加适当的扰流片能诱发尾涡的Rayleigh-Ludwig相交不稳定性,加速尾涡的消散,当小涡和主涡的初始环量比为-0.489、初始距离比为0.5时,45个翼展范围内,尾涡环量衰减55.9%.本文系统性的实验结果可以为低尾流机翼的设计提供参考依据.      

一级旋流偏置对双旋流杯下游流场的影响

双旋流杯具有良好的综合燃烧性能,在航空发动机燃烧室中已获得广泛应用。但其在装配过程中不可避免地会出现细微的安装误差,为了研究这些细微误差是否会对燃烧性能产生影响,需要更细致地研究双旋流杯局部结构和气动特征对下游流场的影响作用。因此,本文在常温常压条件下采用粒子图像测速(PIV)技术测试了双旋流杯下游冷态流场,探究一级旋流偏置对反向双旋流杯下游流场的影响规律。结果表明,随着一级旋流偏置距离的增加,在无量纲偏置量下游流场无变化,而当继续增加一级旋流的偏置距离时,下游流场会出现明显的偏移,这对旋流器的安装调试提供了参考。      

聚焦光场成像三维粒子场重建方法

层析重建是层析粒子图像测速(Tomo-PIV)技术实现三维粒子位置和强度信息(三维粒子场)重构的核心步骤。相比于多相机的Tomo-PIV技术,单聚焦光场相机通过一次成像能够同时采集示踪粒子的散射光的方向和位置信息。因此,提出一种单聚焦光场相机的层析重建技术用于重构流场中的三维粒子场信息。为了验证本文方法的可行性及准确性,利用几何光学建立了示踪粒子的光场成像模型,利用光线追迹技术计算了粒子在聚焦光场相机中的成像,对比了被测流场中位于不同深度位置的粒子在聚焦光场相机中的成像差异;建立了基于单聚焦光场相机的层析重建数学模型,利用乘法代数重构技术(MART)对模拟所得的光场图像进行反演计算,实现了三维粒子场的重构,并利用归一化互相关系数来表征粒子的重建质量。结果表明,单个粒子在Z轴方向上的位置精度为±0.35 mm,初步证明了基于聚焦光场成像理论的三维粒子场重建方法的可行性。