基于深度神经网络的粒子图像测速算法

粒子图像测速(PIV)作为一种流体力学实验技术,能够从流体图像中获取全局、定量的速度场信息。随着人工智能技术的发展,设计用于粒子图像测速的深度学习技术具有广泛的应用前景和研究价值。借鉴在计算机视觉领域用于运动估计的光流神经网络,采用人工合成的粒子图像数据集进行监督学习训练,从而获得适用于流体运动估计的深度神经网络模型,并且能够高效地提供单像素级别分辨率的速度场。文中采用人工合成的湍流流场粒子图像进行初步实验评估,并讨论PIV神经网络的隐藏层输出和内在原理,同时将训练而成的深度神经网络模型与传统的相关分析法、光流法对比;随后进行射流流场测速实验,验证深度神经网络PIV的实用性。实验结果表明,文中提出的基于深度神经网络的粒子图像测速在精度、分辨率、计算效率上具有优势。     

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。     

幂律型流体雾化SPH方法数值分析

幂律型流体的雾化过程存在复杂的界面运动,用传统网格法很难精确追踪运动界面.为研究幂律型流体的雾化特性,运用SPH方法对典型的双股幂律型流体撞击雾化问题进行三维数值分析.根据文献实验,采用SPH方法模拟获得与实验条件相应的数值结果,对比后表明,二者雾化角相当吻合,数值结果还成功捕捉到液膜向液丝的破碎过程及网状的液丝分布状态,验证了方法的有效性.分析了射流速度和撞击角度对雾化角的影响,得到雾化角随着射流速度和撞击角度的增加而增大;对雾化后的速度场进行数值分析后表明,撞击点附近,惯性力的作用使速度场变化剧烈;在流体远离撞击点的过程中,粘性耗散作用使速度场趋于稳定,但速度大小小于初始撞击速度.     

基于低密度粒子图像叠加的Micro-PIV速度场测量

提出了一种基于低密度粒子图像的微流体粒子图像全场测速技术。经过背景噪声去除、阈值过滤、图像增强等图像预处理过程,获得了高质量的低密度荧光示踪粒子图像。对100对图像进行图像叠加处理,得到了满足互相关算法求解二维速度场的高密度叠加粒子图像。针对宽度为250μm,深60μm的长直微通道开展了覆盖全场不同流体层平面的二维速度测量,并利用多个流体平面的二维速度场实现了微通道内全场速度的构建。研究结果表明：由于图像叠加法去除了像径大但灰度低的背景粒子图像,采用互相关分析能够准确获得分层二维速度场,所构建的全场速度场正确反映了长直微通道内流流场特征。     

超声速气流中横向煤油射流的数值模拟

为了对超声速气流中液体横向射流进行数值模拟,采用Eulerian Lagrangian方法描述气液两相流动现象,用随机轨道模型追踪液滴的运动历程,并考虑气流可压缩性、流场不均匀性及液滴变形对液滴运动的影响,开发了相应的计算程序。计算结果发现,液体射流与气流之间存在着强烈的相互作用,液滴在进入气流中不久就破碎成很小的子液滴,受煤油液雾的影响气流速度、温度急剧下降,同时在喷孔上游出现一道弓形激波。与液雾结构的纹影图像和液雾穿透的实验结果对比显示,数值计算结果基本合理。     

一种包含运动边界的高精度流场数值计算方法

为了准确快速地模拟运动边界的流场,提出一种反馈力源形式的包含运动边界的非定常流场数值计算方法。该方法采用完全正交的网格,以反馈力源作用点的运动来模拟边界的运动。采用物理量及其各阶导数在边界两侧的突跃修正中心差分格式,使之达到二阶精度,以此离散求解二维不可压Navier-Stokes方程。并且提出了与运动边界相适应的反馈力源构造方法及对边界上速度进行插值的方法。基于此数值计算方法,对低雷诺数的圆柱绕流、静止流体中的振荡圆柱以及昆虫振翅运动的二维非定常流场进行了数值计算,计算结果与以往的数值及实验结果非常吻合,表明本文方法与Peskin的浸入式边界方法在处理运动边界问题时具有同样的高效率,且精度高于浸入式边界方法。     

粒子分离器砂尘分离效率试验参数影响分析

砂尘试验是评估和验证粒子分离器砂尘分离能力的核心方法,砂尘分离效率试验结果除受试验器测试精度影响,还与 砂尘投放方式直接相关。为了摸清某粒子分离器砂尘分离效率的试验影响因素,结合流动机理分析、CFD仿真和试验方法,分别 针对粒子分离器进口粒子分布均匀性、砂尘浓度和喷砂速度3种因素对砂尘分离效率的影响进行了分析。结果表明：粒子分离器 进口砂尘分布均匀性是影响砂尘试验结果的主要因素,在给定浓度分布模型下,进口砂尘非均匀分布比非均匀分布砂尘分离效率 降低接近7%;进口砂尘浓度在2000 mg/m3范围内变化不会对分离效率试验结果产生显著影响;喷砂速度增大,大粒径粒子受壁面 反弹影响,使粒子分离器总分离效率呈下降低趋势。     

微灌滴头平角齿形微通道流动实验研究

采用Micro—PIV技术,以边长800 μm方形截面平角齿形微灌滴头内流微通道为对象,对微通道内流体运动进行了测量。实验使用lOx显微物镜、14位灰阶PC01600相机、3μm荧光示踪粒子和仅允许610nm红光透过的滤光镜相配合、获取了清晰的粒子图像,解决了相机与PIV系统的匹配问题,提高了图像信噪比。在图像处理中使用多次测量取平均的方法消除示踪粒子的布朗运动影响,运用系综互相关算法获取流场速度分布和流线图。实验发现微通道内各齿间流动结构基本一致,即通道内流充分发展后是一种周期性流动;通道顶角和转角内侧存在低速涡旋区,其涡旋结构和尺度随时间和Re变化而变化;颗粒在低速涡旋区易发生沉积,是造成堵塞的主要原因。     

全内反射测速技术（TIRV）中界面隐失波基准光强I_0的确定

基于隐失波全内反射的测速技术TIRV（Total internal reflection velocimetry）是微纳流动中测量壁面附近几百纳米范围内速度的有效方法。隐失波的光强分布I（z）随离开壁面的高度z指数衰减。若荧光粒子位于光强分布中,其亮度也将符合此指数关系,通过测量粒子亮度可确定粒子的垂向位置z,而确定隐失波的基准光强I0是该技术的关键之一。基于粒子近壁Boltzmann浓度分布、粒子粒径不均匀性和隐失波光强公式,给出了粒子亮度概率密度分布的数值解。实验测量粒子统计亮度分布后,依据实验和理论分布相同原则可定量确定基准光强I0。采用100nm和250nm荧光粒子验证此方法并定量分析了粒径分散性对确定I0的影响。进一步采用100nm粒子进行近壁速度测量实验,结果验证了本方法的有效性。     

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。     

超跨声速喷流流场的PIV测量

对示踪粒子发生装置和几种粒子的特性进行了实验研究，发现压缩空气流中自然存在的润滑粒子在跟随性、分布的均匀性和稳定性、以及浓度方面对于ＰＩＶ测量都非常有利。实验成功地应用ＰＩＶ技术对超跨声速喷流流场进行了测量，初步分析了测量结果与理论的差异，并分析了实验的可靠性和精度。     

撞击流混合器内速度脉动的间歇性分析

应用激光多普勒测速仪（LDA）,对撞击流混合器的流场速度进行了实验测量。利用小波变换模极大值方法与分形理论结合,对撞击流混合器撞击区的速度脉动信号进行多重分形分析,计算其轴向和径向速度信号的间歇性指数,并与相关流动特性进行关联分析,探讨撞击流混合器撞击区非线性、非均匀性和混沌特性机理。通过分析同一转速不同位置和同一位置不同转速下的信号得出：撞击流混合器内部流体流动具有多重分形的特性,通过间歇性参数随位置变化出现的最低拐点可以判断混合器内部流体运动特征,得出流型的转变区域;转速对撞击区的影响大于对回流区的影响。为揭示撞击流混合器的流动机制提供了一种新的方法。     

旋转状态下蛇形通道内流动与换热的机理研究

在已有的实验研究结果的基础上,应用较好符合实验结果的数值模拟程序及划分网格方法,分别数值计算了旋转所产生的几个因素对流动与换热的影响机理。结果表明:由于在垂直于旋转半径截面上哥氏力分布的不均匀,产生了流体流型的两个变化,即主流的偏移和二次流动旋涡的出现。离心浮升力对通道内流动与换热的影响不大。旋转速度变化时,在旋转变化的起始时刻系统的角速度力对通道内流体的流动影响比较明显。各种力的作用综合效果不是简单线形迭加的,而是交替起主导作用,决定流体流动结构、影响换热结果。     

用PIV技术测量径向进气旋转盘腔内的流动

将PIV(particle image velocimetry,粒子图像测速仪)技术应用于多功能旋转换热实验台,测量了不同工作状态下径向进气旋转盘腔间的速度场.介绍了实验装置、实验方法和误差分析方法;给出了旋转盘腔间速度场的瞬时值和平均值,测量结果表明了PIV技术能够测量复杂旋转盘腔间的流场,并定量分析影响因素(旋转雷诺数和流量系数)对速度场的影响;同时,分析得出激光反光的控制和示踪粒子的均匀稳定散播是实验成功的关键因素.      

模拟过载条件下EPDM绝热层烧蚀实验

用一种粒子浓度、速度和角度可调的高过载模拟烧蚀发动机,开展过载条件下粒子冲刷对EPDM绝热层烧蚀特性影响的实验研究。实验结果表明:(1)存在一个临界速度,当冲刷速度低于临界速度时,粒子浓度,速度和角度对炭化烧蚀率影响较小,而当冲刷速度高于临界速度时,炭化烧蚀率随速度的增加而急剧增加,角度影响也较大。(2)弱冲刷条件下的炭化层表面平整,而粒子沉积条件下的炭化层表面附着有很多大粒径的粒子,炭化层结构也更加疏松,而强冲刷条件下,粒子由于速度较高而不易在炭化层表面沉积。(3)当低于临界速度冲刷时,炭化层的孔隙结构分布不均匀,存在致密/疏松分层结构,而高于临界速度冲刷时,炭化层结构则更为致密。(4)通过多元回归得到了炭化烧蚀率与粒子冲刷速度,浓度和角度的经验关系式。     

压力敏感涂料特性及其校准技术实验研究

 精细化的校准技术和涂料特性研究是影响压力敏感涂料(PSP)测量技术测量精度及其工程应用的重要因素。为此以PSP地面实验测量系统为主要平台,进行了国产PSP的静态校准和光降解实验,基于自主编制的PSP静态校准图像后处理程序研究了PSP压力、温度灵敏度之外所展现出的重要特性。研究结果表明:一定压力范围内,PSP的Stern-Volmer响应曲线呈现出较为明显的非线性,在校准中应采取高阶Stern-Volmer关系式进行拟合;在均匀压力和温度下,不同样片区域的校准结果呈现出空间不均匀性,这种不均匀性会影响PSP的校准精度;PSP存在光降解效应,其降解曲线在一定时间内近似为线性。同时,本文还简要分析了其产生机理以及对PSP测量精度的影响,初步提出了相应的评估指标及改进措施。     

螺旋折流板换热器壳程流动特性研究

利用激光粒子图像测速（PIV）技术在有机玻璃模型上对螺旋折流板换热器的壳程流动特性进行了实验研究。结果表明,螺旋折流板换热器管间流体斜向冲刷管束。管间流场中非稳定区的流体由于接近换热器的轴心,受三角区漏流的影响,流速沿轴线方向呈上升趋势,且具有较强的轴向速度。稳定区内的流体流动较为平稳,其切向速度较高,具有明显的旋流特征,是换热效果较好的区域。管间流场的流体具有沿轴线方向波动的径向速度,可以增加流体的扰动,有利于传热。在管束外围,折流板与简体之间的漏流会增加流体的轴向速度,而搭接区的漏流则使得流体的切向速度增加而轴向速度减小。漏流对流体流速的影响会沿着轴线方向不断减小,流体流速趋于稳定。     

重粒子碰撞对霍尔推力器通道等离子体影响数值研究

为了研究重粒子碰撞对霍尔推力器通道等离子体影响,采用PIC/MCC/DSMC混合法对放电通道工作过程进行数值仿真研究。建立放电通道二维数值仿真模型,模型中对重粒子碰撞进行重点考虑。估算了通道内各粒子碰撞下的平均自由程,并针对重粒子碰撞单一变量开展了2个仿真模型计算,并对结果进行了对比分析及验证。结果表明:重粒子碰撞对通道内离子数密度分布影响较大,主要表现为离子数密度分布在电离区更为均匀,离子数密度峰值下降6.9%;离子轴向速度影响较小,出口处离子轴向平均速度下降1.3%。与实验结果对比验证,重粒子碰撞因素使仿真结果与测试值之间误差由9.0%缩小到7.3%。     

RTR系统测试精度的改进

对目前使用的ＲＴＲ系统中存在的问题进行了分析,指出影响ＲＴＲ系统测试精度的主要原因是高速运动分析仪的图像分辨率太低及Ｘ射线系统本身造成的系统误差。总结了提高ＲＴＲ系统测试精度的措施,包括提高变压器的稳压性能,改进实验器设计水平,提高试车台架的刚性以及运用图像处理技术等,将这些改进措施应用于ＳＲＭ燃烧室凝相粒子运动规律的实验研究,取得了比较明显的效果。     

含内热源球壳的复合传热特性及其表面温度均匀性研究

应用计算流体动力学方法,对带内热源的空腔球壳所涉及的含导热、自然对流和辐射换热的耦合传热问题进行了数值建模,得到了球壳空腔内、外侧流体的温度场、速度场。在数值模拟基础上,提出并试验验证了能有效提高球壳外表面温度均匀性的电加热绳方案。