应用LDV测量内流分离流的实验研究

本文叙述了使用二维激光多普勒测速系统(LDV)测量曲壁扩张管中湍流分离区的试验研究。讨论了在测试过程中 LDV 系统的参数设置、粒子投放以及近壁面测量时的光路调整等技术。给出了实验结果并作了初步分析。     

模拟叶尖间隙流的转动平面叶栅实验方案

通过对动叶叶尖进口端壁附面层的性状分析指出：采用平面叶栅模拟动叶叶尖间隙流时，端壁面静止和仅有端壁面运动进口端壁附面层与真实情况存在较大差异。根据转子静止、静子转动这一相对运动思想研制出动叶叶尖间隙流实验台。通过对叶尖附近叶片表面静压分布和间隙泄漏流量实验测量表明：端壁面与叶片之间的相对运动、进口端壁附面层内速度分布是对叶尖间隙流有重要影响的因素。     

雾化激波管研制和煤油点火延时测量

为测量雾化煤油点火延时和得到火焰自发辐射光强分布,研制了雾化激波管和燃料雾化、进气系统.采用"管外预混"思想形成煤油气溶胶,通过连续进气和抽吸方法使气溶胶均匀分布,未出现明显的液滴沉降和壁面吸附.当点火温度为1000K,缝合接触面运行的实验时间大于10ms.由压电传感器PCB和光电倍增管PMT测量指定点压力、OH基光强时间曲线.利用Mie散射测量煤油气溶胶散射光分布,采用ICCD拍摄自点火发射光强.结果表明:该雾化系统可形成粒径为2~5μm煤油气溶胶.当压力为0.1MPa、温度为1300K~1700K,测得化学计量比φ=1.0煤油气溶胶点火延时τig为0.07~6ms,ln(τig)和10000/Tig近似呈线性关系.与气态煤油相比,该文高温点火延时和已有文献数据接近,但低温点火延时偏大,表明了低温下煤油点火的两相效应.     

仿鞭毛菌游动的微型机器人近壁运动

鞭毛菌及模仿其运行的微机器人在靠近壁面游动时，其运动模式与远离壁面时有所不同。针对这一现象，本文利用抗力理论和Stokes方程的线性性质，对鞭毛菌在壁面附近运动时流体对其施加的作用力进行分析，建立了鞭毛菌近壁运动的动力学模型。同时计算了细菌在平行于壁面平面内的运动轨迹与游动速度，并与实验数据进行对比分析，结果验证了该理论模型 的有效性。在此基础上，探讨了鞭毛尾的几何和运动学参数与细菌的速度变化量之间的关系。本文研究为微型仿生游动机器人运动控制时规避近壁效应提供参考依据。     

高速流动PIV示踪粒子跟随响应特性实验研究

示踪粒子的跟随响应能力是影响高速流动PIV测量精度的重要因素。针对法向马赫数大于1.4的高速流动所提出粒子松弛特性分析模型，结合理论分析与数值模拟方法，发展了高速流动下的示踪粒子布撒技术，提高了PIV技术定量化测量能力。基于上海交通大学多马赫数风洞，以不同粒径的氧化钛颗粒作为示踪粒子，利用PIV技术观测Ma4的高速流动诱导的一道22°激波，结果显示30nm粒径的示踪粒子有更优秀的跟随响应能力；并以该粒子进行了不同条件下（包括斜激波与脱体激波）的跟随性实验验证，为高速流动PIV示踪粒子选择提供了实验支撑。     

多孔压敏荧光粒子的制备与流场压力/速度测量的性能表征

开发了一类微米级压敏荧光粒子。该粒子由表面多孔的空心二氧化硅（SiO₂）粒子与压敏荧光材料（PtTFPP和Ru（dpp））融合而成。通过浸染方法使压敏荧光分子附着于粒子上，形成多功能示踪粒子，从而将粒子图像速度场测量技术（Particle Image Velocimetry，PIV）与压敏漆（Pressure Sensitive Paint，PSP）技术相结合，发展了一种流场压力与速度同步测量的技术，为流体力学研究提供一种崭新的实验测量手段。利用PSP静态与动态标定系统，对压敏粒子的信号强度、压力敏感性与压力响应时间进行了测量，研究了不同粒径和不同材料对压敏粒子性能的影响。测量结果表明，制备的压敏粒子具有较好的压力敏感性，其压力响应时间区间为40~70μm，符合测量流场瞬态压力的需求。分析了粒子在流场中的跟随性能，其中2μm粒子松弛时间为7.5μs，有较好的跟随性能。     

LDV测近壁间歇反流

本文应用二维激光多普勒测速仪(LDV),对二元通道内近壁间歇性反流特征做了尝试性测量。最接近壁面的有效测点高度为0.3mm。文中给出了实验结果,并对影响LDV近壁测量的诸因素作了讨论。     

基于单相机光场PIV的逆压湍流边界层测量

作为一种新兴的体三维粒子图像测速技术，光场单相机三维粒子图像测速技术（Single-Camera Light-Field Particle Image Velocimetry，LF-PIV）能够仅用单个相机获得三维速度场，其结果已在许多复杂三维流动测量中得到验证。LF-PIV的优势主要在于其紧凑简便的硬件设备以及对光学窗口较宽松的要求。应用LF-PIV技术对一个自相似的逆压湍流边界层（Adverse Pressure Gradient Turbulent Boundary Layer，APG-TBL）进行测量，该实验在澳大利亚莫纳什大学（Monash University）航空航天与燃烧湍流研究实验室（Laboratory for Turbulence Research in Aerospace and Combustion，LTRAC）水洞中完成。实验对远、近壁面测量所得到的各600组瞬态三维流场数据进行分析验证，并与相同工况下的2D-PIV实验结果对比，证明基于DRT-MART重构技术的LF-PIV能够进行基本的湍流边界层测量。     

涡旋式等离子体反应器流场的试验研究

本文给出了用激光多普勒测速仪（ＬＤＡ）测量涡旋式电弧等离子体化学反应器流场的实验研究结果。实验表明：这类等离子体反应器中，旋流切向速度分量和轴向速度分量径向分布划分成近轴、过渡和近壁区。喷入电弧等离子体射流对等离子体反应器流场的影响区域是近轴区，对过渡区和近壁区没有影响。提高旋流强度，轴向截面上旋流的两个速度分量径向分布分别呈相似的分布形式，等离子体反应器呈层流流动状态。     

超疏水表面对湍流边界层相干结构影响的TRPIV实验研究

湍流边界层中的相干结构是壁面摩擦阻力的主要来源。通过研究超疏水壁面对相干结构的影响，揭示其减阻机理。利用高时间分辨率粒子图像测速技术（TRPIV），分别对流速为0.165m/s的亲水壁面和超疏水壁面平板湍流边界层进行测量，得到了2种壁面瞬时速度矢量场的大样本时间序列。通过对比分析2种壁面的平均速度剖面和湍流度，得到了5.39%的减阻效果。通过二维空间两点相关函数的方法定义并提取相干结构，对比得到超疏水壁面能够有效减小相干结构流向尺度的结论。进一步采用λ_ci准则对发卡涡头进行识别，并以此为条件事件对其周围的脉动速度分布情况进行线性随机估计。结果表明:超疏水壁面能够有效削弱单个发卡涡头的强度，并且能够影响其周围发卡涡包结构的组织形式，整体减弱涡包下方近壁区低速流体质点的流向脉动，从而有效减小壁面摩擦阻力。     

局部粗糙边界层流中二维T-S波的非线性演化

采用局部喷、吸、喷与吸组合的结构来模拟局部粗糙壁面,通过数值计算获得了稳定的三维边界层基本流的数值解.在此基础上,研究了最不稳定的和稳定的二维扰动T-S波在时、空间演化过程中非线性问题;探讨了局部粗糙的形式、强度大小及分布结构对二维T-S波的非线性演化的影响及其对增长速率贡献的大小.数值结果表明,三维局部粗糙壁面诱导产生的基本流是扰动波得以增长的关键因素;最不稳定的二维扰动T-S波在非线性演化过程中,由于非线性相互作用的不断增强,逐渐诱导激发出三维扰动波及高次谐波,其三维扰动波的流向波数和频率与二维扰动波的流向波数和频率大致相同.此外,展向速度的大小激励着二维扰动波的快速增长,随后发生初次失稳、流向涡形成、正负相间剪切层逐渐增强、诱导产生三维不稳定扰动波及高阶失稳等机制.上述结论与实验结果相吻合.     

180°矩形弯管流场的LDV测量

采用激光多普勒测速仪(简称LDV)对180°矩形弯管内流场进行了测量,得到时均速度、湍流强度等数据.除靠近内壁r~*=0. 1位置,弯管纵截面上的切向速度沿轴向基本不变,但靠近弯管上下壁面的切向速度逐渐减小直至为零.在弯管的主流区域,0°~60°之间的纵截面上,内侧切向速度增大,外侧切向速度减小;60°~180°之间的纵截面上,内侧切向速度减小,外侧切向速度增大.在整个弯管段内,内侧切向速度总是大于外侧的切向速度.由于受到边界层分离和二次流的影响,90°~180°纵截面上r~*=0. 1位置的切向速度产生明显的变化.轴向速度值远小于切向速度值,并且沿轴向变化不大.轴向速度的正、负之分,说明了二次流的存在,并且二次流的旋转中心从外壁向内壁移动.切向和轴向湍流强度的数量级一样,基本在0. 1Vi左右.切向湍流度在150°~180°纵截面r~*=0. 1位置的变化很大;但是轴向湍流强度分布比较平稳,其值沿轴向和径向变化不大.     

激光照射离体血液的衰变规律

采用FLS900型稳态荧光光谱仪对激光持续照射的离体血液进行了荧光检测,得到了血液成分变化及荧光光谱特征随时间衰变的规律。实验结果表明：随着血液离体时间的延长,当受407nm的光激励时,605nm处的荧光峰峰位保持不变仅强度缓慢减弱。但在离体后的14h出现了谱形突变,并在474nm处产生了一个强荧光峰。分析认为,激光对离体血液的衰变有明显的延缓作用,但当激光持续照射一定时间后却导致了细胞的形态改变进而加速了细胞的溶血进程,产生了大量的内源性荧光物质还原烟碱腺嘌呤二核苷酸。研究结果为研究血细胞的活性衰变及细胞功能结构异常等提供了参考。     

消逝波存在的证明和新型热象仪原理方案的探讨

光从光密媒质射向光疏媒质时,若入射角大于临界角,则发生全反射,但在光疏媒质中仍有电磁波存在,这个电磁波称为消逝波。本文介绍了一种装置,使从光疏媒质一侧成象在界面上的红外象,转换成可见光象,从而间接证明了消逝波的存在;同时探讨了如何利用这种装置构成新型热象仪。     

为什么近场？

本文提出了对近场光学的一些新的看法，介绍了隐视波和传递波的分解，以及他们在近，中和远场中的不同分布和行为，从而提出了对扫描近场光学显微镜分辨率的全新观点。本文还探讨了在中场或远场区域获得小于经典衍射极限的分辨率的可能性。文中乘法凶，大部分背景材料用引文方式给出。     

三维扰动波在局部粗糙边界层中的稳定性研究

采用局部喷、吸、喷和吸组合来模拟局部粗糙壁面,数值计算获得稳定的三维边界层的基本流.在此基础上研究了三维扰动波在该基本流中的空间演化问题,讨论了局部粗糙的形式、分布结构对三维扰动波的幅值增长率及流动稳定性影响.计算结果表明:三维局部粗糙对三维扰动波的增长、涡的形成都起着激励的作用.扰动波演化产生的平均流修正及局部粗糙诱导展向速度的存在,影响着流体运动稳定性.与光滑壁面相比,三维局部粗糙作用下扰动波的传播角度与相位角发生明显变化,而不同形式的二维局部粗糙壁面边界层显示出不同的稳定特性.     

D300mm×3420mm圆管内旋转流流场的LDV实验测量

利用激光多普勒测速仪(LDV)对直径D 300mm×3420mm圆管内的旋转流场进行了实验测量,重点测量切向速度与轴向速度的分布以及湍流强度分布.测量结果表明圆管内的旋转流是Rankine涡结构形态,旋转流强度沿轴向存在着明显的衰减特性,且最大切向速度的径向位置沿轴向逐渐向内移动,即由上游的刚性涡逐渐向下游的准自由涡和刚性涡组合过渡;轴向速度的分布存在着很大的不均匀性,在r=0.5R区域存在一个轴向速度的低速区,甚至出现上行,但在轴向位置z>10R后轴向速度全部向下,并向均匀分布发展;圆管内的切向湍流强度比轴向湍流强度大一倍,两者的湍流强度在准自由涡区径向分布比较平均,中心刚性涡区域的湍流强度比较高,而且随轴向位置的变化衰减不明显.     

串列叶栅尾迹特性的实验研究

对串列叶栅的尾迹特性进行了实验研究。研究表明：串列叶栅尾迹平均速度和单列一样满足相似律。串列叶栅的尾迹平均速度和紊流脉动速度沿额线方向比单列叶栅变化平缓。对于串列叶栅在叶栅下游相对距离Ｘ／ＣＴ＞０．７时，尾迹纵向紊流度基本不随距离Ｘ／ＣＴ变化。     

二维沟槽粗糙槽道内的湍流特性研究

采用激光多普勒测速技术对光滑和粗糙槽道湍流特性进行了实验研究.粗糙元为二维横向V型沟槽,沟槽深度为0.8mm,沟槽间距为6.4mm,对应的槽道半高度与沟槽深度比为12.5.基于中线时均速度和槽道半高度的流动雷诺数范围为2740~17400.实验测量了包括时均速度、湍流强度、雷诺切应力和速度脉动偏斜因子和平坦因子在内的湍流统计量,结果表明沟槽型粗糙度对湍流的影响不仅局限于边界层内区,而是延伸到整个边界层范围.粗糙壁面上的粗糙度函数随雷诺数的增大而增大,时均亏损速度也较光滑壁面高.沟槽抑制了内区的流向湍流强度,同时增大了外区的湍流强度.粗糙壁面上的雷诺切应力高于光滑壁面,且与湍流强度一样表现出对雷诺数的依赖性.尽管沟槽型粗糙度对流向平坦因子影响不大,但对流向偏斜因子有显著影响.