用PDA测量两相湍流流场时固体粒子的选择

激光法测量两相流是近年来开发的一项新技术，测量过程中需要存在合适的粒子。本文研究了用三维粒子动态分析仪测量气固两相湍流流场时固体粒子的选择问题，试验过程中，运用几种不同的粒子作为煤粉粒子的模拟粒子进行测量和比较，结果表明：（１）粒子的特性参数是影响测量精度的重要因素之一：（２）测量气固两相湍流流场中粒子的运动特片时，应尺可能选择形状较规则，折射率大，尺寸分布合理，不易粘结且易于收集同时接近所要模拟     

3D—PDA测量2相流场时散射粒子的选择

应用激光技术测量流体速度时，需要合适的散射粒子。本文研究了激光三维粒子动态分析仪（３Ｄ－ＰＤＡ）测量２相流场速度时，如何选择合适散射粒子的问题。研究结果表明，散射粒子的合理选择是保证测量精度的重要措施之一；测量湍流脉动较强流场时，应选用密度小、直径小、折射率大的粒子作散射粒子，并选择合适的粒子散播浓度。     

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]。     

航空涡轮发动机燃烧室内流场的PIV测量

设计了一种基于旋风分离原理的高压粒子发生器，并成功应用于高压状态下的航空涡轮发动机燃烧室内流场的PIV（粒子图像测速法）测量.在氢氧燃烧加热来流温度为813K、燃烧室压力为2.78MPa条件下，应用PIV技术开展了航空涡轮发动机单头部燃烧室复杂内流场测量研究，实现了高温高压条件下强旋流、强扰流、宽速域流场的PIV测量，获得了接近燃烧室工作压力工况下的流场速度和流场精细结构.结果表明:该型燃烧室内流场存在多处旋涡结构，形成回流区；流场旋流作用强，横截面流场存在顺时针大涡；主燃孔射流和掺混孔射流作用明显，射流穿透深度较大，对流场结构影响显著；高温高压状态下，流场结构与常温中压状态类似.      

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。     

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。     

气固两相管道流中柱状粒子取向的数值研究

本文对管道悬浮流中柱状粒子的取向分布进行研究。首先对柱状粒子在流场内的运动进行数值模拟，然后运用统计方法得出大量柱状粒子的取向分布；得到了粒子长径比、St数和流场区域对粒子取向分布的影响。计算结果表明，柱状粒子长径比和St数的变化对粒子取向分布的影响并不明显，而流场区域所造成的流场横向速度梯度对粒子取向分布有重要的影响。随着流场横向速度梯度的增大，粒子有明显的占优取向，且当流场横向速度梯度增大到一定程度时，粒子取向都趋向于流动方向。文中部分结果与实验进行了比较，两者吻合较好。     

表面介质阻挡放电等离子体体积力实验

采用粒子图像测速(PIV)技术,在2200,4800,7300,14600Pa空气压力条件下,测量了高频高压表面介质阻挡放电(surface dielectric barrier discharge,SDBD)等离子体诱导流场.根据速度场和N-S方程求解了等离子体体积力分布,分析了空气压力和激励器电压对等离子体体积力影响.实验结果表明:相同空气压力时,激励器电压越高体积力越大.相同激励器电压时,体积力随空气压力升高减小.在体积力分布区域,体积力方向一致,较大体积力区域分布于体积力方向线上游,流场高速流动区域紧挨较大体积力分布区域,位于体积力方向线下游.     

不同压力下微秒脉冲表面介质阻挡放电流场实验

采用粒子图像测速（PIV）技术,在不同空气压力条件下,测量了微秒脉冲等离子体气动激励诱导流场的演化过程,分析了不同压力下的流场启动涡、流场结构和壁面射流.根据实验数据计算研究了诱导力随压力变化的空间分布趋势.实验结果表明:常压下和5500Pa压力下产生一个启动涡,19000Pa和11700Pa压力下产生两个启动涡.稳定流场结构随压力减少分别为L型、∽型和V型.压力减小,诱导流场对等离子体气动激励的响应时间减少,射流切向距离变短,距壁面法向距离增加.最大诱导力随压力降低减小,x坐标逐渐向表面介质阻挡放电（SDBD）激励器靠近.      

不同结构等离子体激励器的流场特性实验研究

采用粒子成像测速(PIV)技术,在静止空气中测量了H型、O型和L型3种结构的介质阻挡等离子体激励器的诱导速度场,分析了流场结构,并研究了激励器设计参数对诱导速度的影响.研究结果表明,3种结构的激励器都产生了离开激励器表面向上的射流.其中O型和L型结构的激励器受电极电压的影响比较明显,随着电极电压的增加,射流速度的最大值...     

脉冲等离子体推力器羽流特性数值研究

以脉冲等离子体推力器羽流为研究对象,建立三维物理模型,简化并离散电子动量方程,运用单元粒子-直接模拟蒙特卡罗混合法模拟非稳态羽流流动.假定脉冲周期内推进剂粒子按正弦规律进入流场,分析流场中电势、电子、离子和原子数密度分布随着时间变化情况,并通过与已有实验数据的对比验证仿真模型.研究表明:模型能在垂直和平行于推力器极板的两个平面内预测等离子体羽流流场参数.该研究方法、结果对更深入研究脉冲等离子体推力器(PPT)羽流具有参考价值.      

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。     

CCD互相关粒子图像测速及其在对抗流流场测量中的应用

在常规自相关粒子图像测速（ＰＩＶ）系统的基础上,发展了一个采用ＣＣＤ像机的互相关粒子图像测速系统。用这一新系统测量了对抗流流场的结果表明,这一技术克服了自相关粒子图像测速技术在测量具有滞止点的流场中的困难。实验说明,与自相关粒子图像测速技术相比,这一技术更快捷有效。     

环形燃烧室模型试验件冷态流场测量调试试验研究

为实现环形燃烧室模型试验件冷态流场测量,设计了环形燃烧室模型试验件,并在自模区工况下对采用粒子图像测速仪测量其内部冷态流场进行了调试。结果表明,可变视场透镜能很好地满足不同头部流场测量时视场变化的需求,试验件增透设计并配合滤光镜和圆偏振镜能很好地削弱试验背景光和试验件表面产生的反射光。单个头部、两个头部、六个头部获得了较好的测量结果,而环形流场因激光衰减、光腰厚度增加、测量分辨率降低,半环形流场因上下两个区域示踪粒子相关性较差,都没能实现测量,最终通过旋转试验件的方式实现了环形流场测量。所测结果能较好地揭示真实曲率效应影响下单个头部流场的细节结构、相邻两个头部之间的相互作用特性,及整个环形流场的结构特征,为环形燃烧室模型试验件冷态流场测量提供了有效方法。     

PIV技术中的示踪粒子发生和布撤

示踪粒子发生和布撒，是粒子图像测速（PIV）技术的重要组成部分，是影响速度测量质量的关键环节。介绍PIV技术对其示踪粒子的基本要求和示踪粒子发生、布撒装置.介绍在风洞PIV测量中，示踪粒子发生、布撒的方式、方法及作者得到的实际经验和切身体会以及对避一步提高风洞PIV测量中示踪粒子发生、布撒质量的见解。     

基于等离子体激励的飞翼布局飞行器气动力矩控制

以飞翼布局飞行器所面临的飞行控制问题为背景,采用气动力测量技术和粒子图像测速(PIV)技术,在来流风速为8.2 m/s时,研究了介质阻挡放电等离子体激励器对飞翼布局飞行器气动力矩的作用.研究结果表明:在飞行器不同位置布置不同的激励器,可以实现对飞行器滚转、偏航及俯仰力矩的控制;改变激励电压,实现了对气动力矩的比例控制;通过与常规舵面的舵效进行比较,采用等离子体激励器获得的气动力矩控制,可以达到常规舵面一定偏转角度的控制效果.流场测量结果表明:等离子体激励器对飞翼布局飞行器气动力矩的控制,主要是通过控制流动分离和前缘涡破碎点位置的变化来实现的.因此,可以考虑应用等离子体流动控制技术来增强传统的舵面控制,并在提高控制效率的基础上,使其成为一种新型的飞行控制方式.     

悬停状态下旋翼尾迹测量试验研究

采用粒子图像测速(PIV)技术,对悬停状态下直升机旋翼尾迹进行了全面测量,获得了在不同试验条件时旋翼流场的涡量和速度分布。测量结果合理可信,为开展旋翼流动机理研究及提高CFD分析精度奠定了基础。     

三角嵌铺粒子追踪算法的三维化扩展

针对连续帧三维流场粒子的匹配问题,对基于三角嵌铺的粒子追踪算法进行了三维化扩展并将其命名为3DT PTV。3DT PTV遵循从粒子样型匹配到粒子匹配的原则,即粒子匹配结果从粒子样型匹配结果中总结。首先通过自定义"粒子样型DT网格"实现了粒子样型匹配的参数无依赖性,使3DT PTV适用于粒子非均匀分布流场;其次通过自定义"样型唯一性标识向量"进行粒子样型匹配;最终通过"双向计算-概率择优"模块对样型匹配结果进行样本扩展并整合出粒子匹配。通过添加自定义干扰的JPIV人工流场对3DT PTV进行了检验。除了算法本身的简洁性,结果亦证明了3DT PTV处理粒子无匹配率较高的复杂流动的良好特性。     

稳态等离子体推进器羽流的粒子模拟

利用结合了particle-in-cell方法的直接模拟Monte Carlo方法模拟了稳态等离子体推进器的羽流场。为了更真实地再现实验设备中的流动,模拟中包含了背压气体,并在计算中直接模拟,改变了以往的中性粒子平衡态的处理方式。为了匹配试验结果,修正了推进器出口处气流偏转角分布,并建议最大偏转半角取为20°。计算结果与现有的实验结果符合较好。     

非对称喷管超声速流场的PIV实验与数值模拟

选取了跟随性能以及散射性能都上佳的二氧化钛粒子,利用了粒子图像测速仪(particle image velocimetry,PIV)对不同落压比下的非对称喷管(single expansion ramp nozzle,SERN)流场进行了测量,成功获取了相应流动结构,以及沿程上壁面压力分布和速度场等.在测得的图像中,可以清晰地观察到由于过膨胀产生的激波与膨胀波系,并进一步获得出口速度分布.运用计算流体动力学数值模拟方法,对实验状态下的非对称喷管进行了模拟.对比结果发现:PIV实验测得流场结构能很好地与其吻合,这互相验证了CFD计算和PIV实验的正确性及可靠性.