圆柱尾流场的 Tomo-PIV 测量

层析粒子图像测速(Tomo-PIV)是一种先进的光学测量技术,能够定量获取三维体视流场结构,可作为诸如湍流、多涡系干扰等三维复杂流场的有效测量手段。为了实现该技术在风洞模型测量中的应用,研究了工程应用和数据处理方法。在中航工业气动院 FL-5风洞,选取12mm 直径的圆柱体作为试验模型,应用 Tomo-PIV 技术测量了圆柱三维尾流场,通过解决体光源引入、示踪粒子投放和现场标定等关键技术以及对数据处理方法的研究,成功获得了圆柱体后方典型的三维卡门涡流场。测量区域约95mm×70mm×8.5mm,粒子图像分辨率达到20 pixels/mm,包含数万个速度矢量数据,实现了 Tomo-PIV 的风洞试验验证。     

超声速光学头罩流场的PIV研究

在马赫数Ma=3. 8超声速风洞中.采用PIV(Particle Image Velocimetry,粒子图像测速)技术测量了超声速光学头罩流场的速度分布.PIV技术应用于超声速流场时,对系统的硬件配备、示踪粒子的跟随性以及PIV算法的精度有很高的要求.本文PIV系统选用高精度的同步控制器和高能量激光器;以纳米级粒径的粒子作为示踪粒子,通过斜激波响应实验分析了其在超声速流场中的跟随性;并采用多种高精度速度场算法对粒子图像进行处理.实验结果表明,示踪粒子在超声速流场中有很好的跟随性,采用的高精度速度场算法能够很好地反映超声速光学头罩流场的速度分布.     

粒子图像测速技术在马赫数4.O流场测试中的应用

介绍了上海交通大学多马赫数高速风洞中应用PIV测试技术开展马赫数4.0流场测试的情况.为满足超声速流场高速瞬时的测试要求,实验中选择了合适的示踪粒子和布撒技术.首先介绍了马赫数4.0来流条件下自由来流流场PIV测试情况,实验结果表明喷管出口处速度矢量场平行喷管轴线方向且分布均匀.其次对尖劈斜激波流场进行了PIV测量并讨论了示踪粒子跨越激波的迟滞特性,结果均符合斜激波理论.研究中还测试了拐角模型流场,从PIV图像中可清晰看到激波边界层干扰等复杂流场结构.因此,PIV技术可成为一种有效的超声速流场测试技术.     

复杂固体边界流场的三维 PIV 测试技术：任意三维边界识别算法

针对复杂固体边界三维流场的 PIV 测试应用,以及流固耦合实验研究中流场和固体结构特征的瞬态同步测试需求,发展了一种基于双相机布置形式的任意三维边界识别算法以精确获取三维表面几何信息;并以基于MLOS-SMART 三维粒子场重构的 Tomo-PIV 算法计算三维速度矢量场,可同步获取三维表面结构运动／变形信息和三维瞬态速度场。这一边界识别算法基于 SURF（加速稳健特征）模式识别算法进行三维曲面重构,可以确定流场中三维物体结构的边界特征。论文采用双相机布置方式获取了三种不同曲率的圆柱曲面图像,验证了所发展的三维边界识别算法的准确性。最后以圆柱绕流 Tomo-PIV 数字合成粒子图像序列为验证对象,采用所发展的边界识别算法和 Tomo-PIV 算法分别高质量地计算出圆柱曲面信息和三维速度场。     

三维PIV原理及其实现方法

粒子图像测量技术(PIV)在现代流场测量中发挥了重要作用,是流场测速研究的发展方向之一.随着二维PIV日益完善,新课题对流场测速技术提出更高的要求,推动了三维PIV的深入研究,但该技术的复杂性使得流场的三维速度测量更为困难.笔者以PIV技术为对象,重点阐述基于针孔相机模型的三维PIV原理和实现方法,并探讨了三维PIV研究工作的若干进展.     

高速复杂流动PIV技术研究实践与挑战

粒子图像测速技术目前已经发展成为实验流体力学领域应用最广泛的非接触激光测试方法之一,为认知复杂流动机理提供直观的流场信息.本文基于超声速流场PIV技术研究实践,针对示踪粒子布撒器设计、粒子松弛特性模型构建、激波流场测试分析、超声速平板湍流边界层结构分析等方面具体问题的研究和认识,从理论、定量化的角度深入分析了应用于超声速流场PIV技术现阶段依然存在的问题.从应用于超声速流场PIV技术的原理出发,针对高速复杂流场的PIV测试现状,总结了应用于超声速流场PIV技术发展过程中的光学部件、示踪粒子及布撒系统所遇到的一系列挑战,以及国内外利用PIV技术在高速复杂流场研究中所取得的成就,针对PIV技术能否适用于高超声速流场的测量做了系统化地探索.并根据实践经验提出了应用于超声速流场PIV技术未来的发展方向:通用的精确的PIV方法不存在,必须从具体研究的流动机理角度改造相应的PIV测试手段.     

光场单相机三维流场测试技术

将光场三维成像技术与实验流体力学相结合，实现单相机对空间三维瞬态流场（3D3C）的精确测量，为流体力学实验研究提供了一种全新的测试技术。详细介绍了具有自主知识产权的光场相机硬件系统、基于乘积代数重建技术（MART）的粒子光场图像重构算法以及基于光线追迹的数字光场图像合成算法。利用DNS数字合成图像以及低速射流实验图像，将所发展的光场单相机三维流场测试技术（Light Field Particle Image Velocimetry，LF-PIV）与目前最成熟的三维流场测试技术层析PIV（Tomographic Particle Image Velocimetry，Tomo-PIV）进行对比研究分析。实验结果表明LF-PIV技术完全能达到与Tomo-PIV同等量级的测量精度。     

低速风洞PIV实验中的示踪粒子投放技术

使用Dantec公司的FlowMap PIV系统,在低速风洞中测量二维风速,研究PIV在实际流场测量中的示踪粒子投放技术.实验中使用不同的方式散播示踪粒子测量二维风速,通过对实测风速及流场均匀度的比较,得出在实验段出口处向风洞投放粒子,使其在风洞中循环的方法是最佳散播粒子方式的结论,该方法不仅在小风速下可用,在风速60m/s下也可获得清晰的流场测量图片.     

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。     

超声速PIV示踪粒子布撒技术研究

介绍了上海交通大学高超声速创新技术研究实验室为发展超声速PIV流场测试系统而开发的示踪粒子布撒技术.研究中设计了一套超声速风洞PIV示踪粒子布撒装置,提出了利用发生器罐体内的真空度吸入示踪粒子的加注方式,选定了测试流程时序并得到了较好的粒子布撒效果.通过比较不同的发生器罐注入压力对粒子布撒浓度的影响,得到了效果良好的测试方案.     

后退式微型后缘装置对翼型气动特性影响的实验研究

介绍了装有后退式微型后缘装置(Rearward Mini-TED)的 NACA23012翼型在低雷诺数条件下的表面压力分布、气动力和 PIV 速度场的风洞实验结果,并与 NACA23012原型翼的对应测量结果进行了对比分析,以探讨 Mini-TED 装置对翼型流场、气动特性产生的影响。本实验风速为15m/s,以弦长为特征量的雷诺数为 Re ≈1.3×105,翼型表面压力分布采用测压孔和压力传感器测量,通过积分获得翼型升力和压差阻力,并利用尾耙测量翼型受到的总阻力。结果表明,后退式 Mini-TED 翼型改变了翼型周围的流场速度分布和尾流流动结构,导致上翼面吸力和下翼面的压力升高,使翼型升力增加,但压差阻力也增加。同时发现后退式 Mini-TED 翼型使前驻点位置后移,加快了上翼面的流动速度,后缘分离受到抑制。     

介质阻挡放电等离子体对翼型流动分离控制的实验研究

在低速开口风洞中进行了等离子体激励器对NACA0015翼型流动分离控制的实验研究.采用PIV技术,对翼型绕流流场进行了测量,显示了施加等离子体激励后流场的变化.通过五分量天平对升力和阻力的测量,研究了激励电压和激励频率对翼型流动分离控制的规律.研究表明,低风速下在翼型前缘施加等离子体激励,能够有效地控制翼型流动分离,在来流为20m/s时,最大升力系数增加11%,失速迎角增加6°;在给定的流动状态下,激励电压和激励频率存在一个阈值,不同迎角下该阈值不同,迎角越大,分离越严重,对激励强度的要求也越高.     

运七飞机外表面沟纹膜减阻的实验研究

在１：１２运七原型全金属模型具有湍流流动的表面上粘贴沟纹膜，研究了沟纹膜对飞机阻力的影响。实验表明，顺流向沟纹膜粘贴在飞机具有湍流的表面上，可以减少飞机阻力５％～８％。     

高升力下二维构型阻力准确测量研究

翼型风洞试验阻力测量常使用尾迹流场测量积分求取阻力的方法,但各积分公式均建立在一定的假设基础上,有一定适用范围.在多段翼型流场N-S方程数值模拟和风洞试验的基础上,研究高升力情况下低速风洞阻力精确测量技术.通过N-S方程数值模拟求解多段翼型绕流场,分析尾迹流场的特点和常规风洞试验阻力计算公式推导时所作假设,提出新的更为准确的型阻计算公式;利用多段翼型绕流的数值模拟结果,积分表面压力和摩擦力求得翼型的气动特性,并利用计算得到的尾迹流场信息按照常规和新提出的风洞试验型阻计算公式计算阻力,将三者进行比较,检验提出的新型阻计算公式的准确性;通过风洞试验检验数值模拟得到的流场特点和新型阻计算公式.研究表明:在高升力条件下,传统型阻计算公式有很大的局限性,必须进行改进;提出的考虑尾迹区流动特点的新型阻计算公式能够得到更准确的阻力值.     

“大涡破碎”的紊流减阻实验研究

本文对当今国外曾提出的紊流表面摩擦减阻新概念——“大涡破碎”(LEBU)进行了初步的风洞实验探索。将具有对称流线型剖面的二元小肋,沿垂直于气流的方向安置在平板表面的紊流附面层内某一高度处,收到了不同程度的减阻效果。实验中分别考察了小肋的安置位置L,安置高度H,迎角θ及相对厚度b等参数对减阻效果的不同影响。从紊流附面层涡结构的观点出发,提出紊流的“细化”作用是小肋对平扳减阻的根本原因,并认为改善紊流附面层的速度型是研究紊流减阻的一种手段。实验使用自制的高灵敏度摩擦天平,测得的减阻效果与Ludwieg—Tillman公式的计算结果基本一致。     

超临界翼型Gurney襟翼增升技术实验研究

通过在二元翼型风洞中进行测力实验,研究了不同高度Gurney襟翼对超临界翼型气动力和力矩的影响规律.实验结果表明:在亚声速条件下,Gurney襟翼同样可以明显增加翼型的升力系数,使整个升力曲线向上平移,并使翼型低头力矩增加.高度为翼型弦长0.5%的Gurney襟翼可以带来超临界翼型的最大升阻比.同Gurney襟翼对NACA 0012翼型气动特性改变的对比表明,其在超临界翼型上带来的升力系数增量要大于在NACA 0012翼型上的效果,但是带来的低头力矩增量较小.     

基于尾迹法的翼型跨声速实验阻力测量研究

在风洞实验中采用尾迹积分法测量翼型阻力时，尾耙的形状、高度和安装位置均对翼型阻力存在一定的影响。在西北工业大学NF-6增压连续式跨声速翼型风洞中，针对同一翼型（OA309翼型），在不同马赫数下，进行了2种尾耙高度、2个尾耙安装位置的实验。对比分析了同一尾耙高度、不同安装位置以及同一安装位置、不同尾耙高度的阻力实验数据，获得了不同实验条件下适用于NF-6风洞阻力测量的尾耙高度及安装位置的组合，为跨声速翼型风洞阻力测量提供了参考。     

微型涡流发生器控制超临界翼型边界层分离实验研究

在低速风洞中研究了微型涡流发生器对超临界翼型边界层分离的控制。根据超临界翼型边界层分离特性，提出了涡流发生器的流动机理。研究了梯形涡流发生器不同高度和弦向位置对边界层分离控制效果的影响。研究表明，微型涡流发生器对超临界翼型边界层分离的控制主要起减阻作用；适宜采用微型涡流发生器对超临界翼型边界层分离进行控制，其最佳位置应在分离线前2～5日涡流发生器高度之间。