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.     

平面扩压叶栅流场犘犐犞与三孔尾迹探针对比测试研究

针对PIV技术在暂冲式高亚声速平面叶栅流场中遇到的示踪粒子投放问题,通过采用高压雾化式粒子发生器以及安装在稳定段前的撒播器,有效地使示踪粒子均匀地与主流混合,并成功开展了某扩压平面叶栅叶片槽道及出口尾迹可视化测量,获得了零迎角、进口马赫数0.2~0.8状态下的二维速度矢量场。为了验证PIV在叶栅流场测试结果的可靠性,在相同工况下,将PIV测量结果分别与数值计算结果和三孔尾迹探针测量结果进行了对比分析。结果表明:采用PIV技术测得的叶栅中截面二维速度矢量场合理地反映了叶片槽道及尾迹的流动结构,与数值模拟结果较为接近;PIV与三孔楔形尾迹探针在叶栅出口尾迹的测量所获得的气流速度和主流区的出口气流角重合性较好;尾迹分离区的出口气流角重合性略差,主要原因是尾迹区气流角超出了探针校准范围,这也说明了PIV测试技术优势。本文提出的PIV测量技术也可用于连续式叶栅风洞中。     

气体的可压缩非定常性对天然气流量计量的影响

利用PIV测试技术对天然气管道内的实流流场进行了可压缩非定常性测试研究,以探究天然气的可压缩非定常特性对天然气流量计量的影响.测试结果表明:通常在充分发展的天然气湍流流动情况下,圆管流的瞬时(0.4~2.5μs)截面体积积分流量存在明显的波动,流量的相对脉动幅值保持在4%以内.这表明管道内的压力在天然气介质中是以纵向压力波形式传递的;而天然气在压力驱动下,由于其本身的可压缩特性,管道截面上的气体密度会出现疏一密相间的变化,相应的瞬间截面流量也会出现大-小相间的脉动.现场试验在测试区上游15D处加装DN100-DN50的变径管后,流场中气流的最大马赫数达到0.2,流量的相对脉动幅值明显大于常规4%的水平,气体可压缩比有明显跃增.此时气体的可压缩以及非定常特性显著,应该认真考虑其对流量精确计量的影响.     

利用micro-PIV测量矩形微管道内流量

利用微观粒子图像测速技术(micro-PIV)测量了矩形微管道内低雷诺数下速度矢量场,并以此为基础计算微管道内流体体积流量.微管道水力直径为83μm,横截面深宽比为0.155,长度为17mm.实验中获得雷诺数分别为47、127和215三工况下管道中心水平截面内速度分布.与理论速度剖面比较,管道中心的测量速度值吻合很好,偏差控制在±2%以内.利用中心速度值结合层流解析解计算微管道内平均流速和体积流量.经过误差分析得到该方法测量误差约为3.3%.实验结果表明,利用micro-PIV技术完全可以实现微通道流量的高精度测量.     

基于 PIV 速度场测量重构压强场的研究进展

利用 PIV 测量得到的速度场数据重构空间压强场是一种新颖的压强测量方法。目前国外的一些仿真计算和风洞实验已经证明了该方法的可行性和有效性。本文首先详细介绍了基于 PIV 速度场测量重构压强场的基本原理---两种压强梯度计算方法(拉格朗日方法和欧拉方法)和两种压强积分方法(平面 Poisson 法和直接空间积分法),然后从速度场测量、压强梯度计算和压强分布计算3个方面综述了基于 PIV 速度场测量重构空间压强场的关键技术及相关的研究进展,最后从 PIV 速度测量的改进、参数的优化设置、算法的改进与创新、探索并完善3D压强分布计算、可压缩流动条件下的压强重构技术等5个方面探讨了该方法的发展方向,以期引起国内同行对该技术的高度重视并为其进一步发展提供一定的参考。     

面向新世纪的粒子图像测速

一种综述粒子图像测速(Particle Image Velocimetry)的非接触、瞬时、动态、全流场的和本质上是直接的速度场测量技术,成为当今最实用和非常有潜力的流体力学全流场观测(Full Flow Field Observation & Measurement)技术.回顾和展望PIV(包括DPIV,SPIV,HPIV等)及其应用的进展和前景.面临新世纪,PIV技术有望最终攻克一个容积的三维速度场时间历程(3Dt-3C)的观测和推动流体力学进入十分活跃的新时期.     

基于光流算法的粒子图像测速技术研究

光流测量技术作为一种新的空气动力学实验技术,以其像素级分辨率的矢量场测量优势获得广泛的应用。光流测量技术使用光流约束方程,配合平滑限定条件,可以进行速度场测量,获得高分辨率的全局矢量场。首先通过研究积分最小化光流测速理论和算法,采用C++编写光流速度测量程序,然后通过3种典型人工位移图像对光流计算程序进行验证,并将结果和标准位移分布进行比对分析,以指导如何在实际应用中获得高精度光流速度场,最后进行小型风洞后向台阶实验,利用高速相机拍摄示踪粒子图像,使用光流计算程序获得速度矢量场,同采用互相关算法的粒子图像测速计算结果进行比较,体现出光流计算方法像素级分辨率的矢量场测量优势。     

PIV技术在近水平油水两相流研究中的应用

自行研制了用于油水两相流研究的PIV(粒子图像速度仪)实验系统.该实验平台主要用于研究近水平油井测量仪器内的油水两相管流.分别对水平油水两相流中的分层流和分散流的速度场进行了测量.油水两相流流动速度分布与单相流有着明显不同的特征.油水分层流情况下油相和水相之间存在比较显著的速度滑移.而在水包油分散流的情况下,由于油滴平均直径在径向上的不对称分布,以及小油滴具有更好的跟随性等原因,油滴的轴向速度也呈现不对称性.PIV技术在油水两相流研究中展示出良好的应用潜力.     

水流场PIV测试系统示踪粒子特性研究

粒子图像测速技术(PIV)是一种新的流场测量技术,通过对流场中的示踪粒子进行多次曝光成像,获得具有相关性的示踪粒子图像,利用软件对粒子图像进行处理后可得到被测流场的信息.水流场PIV测量利用合适的示踪粒子运动来表征流场状况,示踪粒子的特性对PIV最终测量结果影响很大.讨论了密度、直径、表面反射率等示踪粒子特性对系统实验测量的影响,并特别针对水流场斜入射离轴PIV测试,选择合适的特性参数设计研制了一种简单实用的水流场示踪粒子.通过在直径为100~200μm的聚苯乙烯微球上利用化学方法进行表面镀银,使示踪粒子具有高的光散射特性,实验结果表明这种微粒非常适合于水流场示踪.     

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.     

应用LDV和PIV技术测量波-流系统的粒子速度

将激光多普勒(LDV)技术同粒子成像测速技术(PIV)结合起来测量波动过程的粒子速度,得到了波槽中规则波的速度振幅剖面和二维空间速度向量分布。实验表明,应用电光调制获得频移的 LDV 系统可以方便地得到周期性交变的连续的实时速度信息,而采用较大直径粒子作为示踪体拍摄到的多次曝光成像照片有助于了解全场平均流动的特征。实验发现,在波流共存的条件下,增大波振幅时,速度剖面有显著的平均速度亏损现象。     

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.     

LDV和PIV测速技术测量离心压气机内部流动的应用进展

离心压气机流场的精细测量对深入理解内部流动特征极其重要。传统的接触式流场测量技术存在空间分辨率低、堵塞效应严重、测量位置单一等缺陷,已经不能满足现代先进离心压气机的测量需求。激光多普勒测速技术（Laser Doppler Velocimeter,LDV）和粒子图像测速技术（Particle Image Velocimeter,PIV）作为两种典型的非接触式测量技术,具有测量精度高、适用范围广、非接触测量等特点,在离心压气机内部流场测量方面展现出巨大潜力。通过梳理国内外LDV和PIV测速技术测量离心压气机内部流动应用现状,介绍了LDV和PIV测速技术在离心压气机内流场测试方面的应用进展,着眼于试验方案、试验细节和技术难点,结合测量技术的未来发展趋势,从实际应用角度出发,对LDV和PIV测速技术在离心压气机内流场测量方面的应用进行了总结和展望。     

应用PIV技术研究"零质量"射流的非定常流场特性

首次采用PIV瞬态流场测试技术对“零质量”射流激振器近出口处附近的非定常流场进行了定量测量，应用相位锁定采样技术，测到了激励周期内不同相位时射流出口的瞬态流场，由200幅瞬态流场图像的平均得到了射流流场的平均流动特性。通过对射流出口涡环的产生、发展及运动特性的分析，认识到涡环之间相互作用是形成“零质量”射流的流动机理。     

一种单出口流体振荡器件特性实验研究

为了控制机翼上的流动分离、翼尖涡以及抑制腔体共振,本文设计了一种单出口流体振荡器件。借助流动显示、声级计、热线风速仪及PIV等技术手段,对器件的频率 流量特性及出口流场特性进行了实验研究。结果表明:振荡器出口的空气射流能扫荡成扇形,扫荡角接近90°,射流振荡频率达103 Hz量级,振荡器能够将射流束较均匀地分散到整个出口区域,并且在较小的流量下平均流速可达约几米每秒至十米每秒,脉动速度与平均速度同量级,出口气流有较大的动能,能够控制较大的流场区域。     

水平携带床内玉米秸颗粒速度场的PIV实验研究

为研究生物质颗粒在水平携带床中的流动特性,搭建了水平携带床透明模拟装置.利用PIV无接触测量技术,在氩气流量为1.9 m3/h工况下,对60~160目粒径的玉米秸颗粒流进行了速度场的研究.计算出了颗粒和氩气的平均速度以及流经水平携带床的时间,对颗粒与氩气的跟随性进行了分析.研究结果表明,颗粒流的轴向速度沿轴方向不断增大,管道中心附近的颗粒加速最为明显,而边壁附近的颗粒速度变化相对较慢;颗粒流的速度沿径向大致呈抛物线状分布;颗粒流的平均运动速度比氩气低,颗粒流通过水平床的平均时间略大于氩气.     

基于PIV技术的压力场重构算法实现与研究

介绍了有限容积法、直接积分法和Poisson方程法3种基于PIV瞬时速度场重构压力场的基本原理以及相应的计算方法，选取管流突扩流场和偏置方块绕流流场两个不可压缩流场的瞬时速度场数据，采用上述3种压力场重构算法，分别研究了图像噪声、速度场精度、插值算法以及边界条件的类型与精度对重构压力场的影响。最后针对管流突扩过程第20ms的流场，给出了3种重构算法下的压力场云图以及对应的CFD模拟结果。研究表明，有限容积法和直接积分法容易受到噪声的影响而产生剧烈震荡，但是可以在较大的速度场误差范围内保持较高的精度，通过采用双线性插值可以获得更高精度的重构压力场；Poisson方程法不易受到噪声的影响而产生震荡，同时在高精度PIV速度场下的优势较为突出，通过采用双三次差值可以获得更高精度的重构压力场；混合边界条件仅仅测定边界上有限个点的压力值，就获得了接近狄利克雷边界条件下重构压力场的精度，远高于诺依曼边界条件；边界条件的误差严重降低重构压力场的精度，其影响程度比速度场误差还要大。     

反射激波作用下重气柱界面演化的PIV研究

在水平激波管中采用PIV方法研究了反射激波作用下SF6重气柱界面的发展演化。采用射流方法形成SF6无膜气柱界面,并以乙二醇作为示踪粒子。利用连续激光片光源结合高速摄影相机对流场进行显示,得到了反射激波作用下SF6气柱界面的发展过程。结果表明,入射激波的冲击会在界面上产生反向旋转的涡环结构,而反射激波的作用会在界面上产生与初始涡环旋转方向相反的次级涡环结构。此外,对反射激波作用后的流场图像进行PIV后处理,获得了流场连续的速度场和涡量场。获得的环量与已有的理论模型进行比较,取得了较好的一致性,也验证了本文实验方法的可行性。     

斜出口合成射流控制机翼分离流实验研究

采用倾斜出口合成射流激励器对NACA633-421三维直机翼进行分离流主动流动控制,天平测力结果表明合成射流可以有效地控制机翼流动分离,提升最大升力系数10.4%,推迟失速迎角4°。运用边界层测试技术及粒子图像测速系统(PIV)对合成射流分离流控制机制进行研究分析,结果表明,控制后边界层速度型变得“饱满”,形状因子减小,其底层能量增加,抵抗逆压梯度能力增强。瞬态及时均化PIV测试流场图进一步证明合成射流向主流进行动量注入及掺混后,主流附着机翼表面,翼面附近流体湍流动能和雷诺剪切应力增加,分离点向下游推迟,流动分离得到抑制。