结构光照明技术在瑞利散射成像去杂散光应用中的研究

激光片光成像技术在流场测量领域的应用前景十分广阔,但该类测量技术在实际测量中都会受到杂散光或背景光干扰的影响,降低了光学成像质量。因此,开展了将结构光照明技术应用到激光片光成像测量中来消除杂散光干扰的研究。结构光照明技术是一种新型的杂散光抑制方法,可以将原始图像数据分为有效信号和杂散光（来自于激光片光焦平面外的干扰光）两部分,在后期数据处理中,有效信号会保持不变,而杂散光会因为空间频率不同而被剔除掉。首先,基于Matlab软件理论分析了该类方法消除杂散光的作用;其次,设计了一套应用于瑞利散射成像的结构光照明测量装置,主要由连续激光器、Ronchi光栅和EMCCD相机组成,其中Ronchi光栅用于产生正弦光强分布的激光片光。最后利用该测量装置在McKenna平面火焰炉上开展了瑞利散射图像测量实验,验证了结构光照明的方法具有消除杂散光影响、提高瑞利散射图像精度的作用。     

空间流场显示的一种新方法──激光片光运动法

用一套能在气垫滑轨上平稳运动的激光片光运动系统，对湍流边界层及其拟序结构进行了空间流场显示，并对其应用范围、使用方法和技术等进行了研究。实验结果表明，这种空间显示法不仅能够较好地揭示流场的空间结构，而且与其它空间流场显示法相比，具有费用低，操作方便，应用范围较广，易于对照片进行准确的定量分析等优点。     

在轴流风扇中的流场测量和显示

介绍了利用激光多普勒测速仪(LDA)和激光片光流场显示技术在一轴流风扇转子叶尖附近流场测量得到的结果.试验结果表明,转子叶尖处的通道涡并不是叶尖间隙流卷起造成的,而是由于端壁附面层受到叶尖间隙流的横向冲击后从机匣壁面上脱落形成的.     

基于光源拼接的大视场聚焦纹影技术初步研究

随着风洞试验技术的发展，模型尺寸不断增大，大视场流场显示技术显得日益重要。传统纹影等流场显示技术受光学元件尺寸的限制，流场显示视场难以超过Φ1.0m。在聚焦纹影技术基础上，提出使用可拼接的LED光源或其他光源替换菲涅耳透镜，流场显示视场很容易超过Φ1.5m。在解决光源均匀照明、散热等问题后建立了一套视场为Φ150mm的原理性装置，清晰获得了蜡烛火焰及热吹风流场聚焦纹影图像。同时，可以在此类聚焦纹影系统中放置多套聚焦透镜，实现更大测试视场或不同截面的流场显示；在大视场流场显示中，需要在光源之后增加聚光镜等以提高光源利用效率。     

高速聚焦纹影改进及应用

聚焦纹影技术能对垂直于光轴的特定平面内的流场细节进行显示,该特点使其成为近年来被重新研究的流场显示技术之一.本文在综合考虑了锐聚焦深度、非锐聚焦深度、灵敏度和清晰度等指标情况下,结合风洞实际情况,研制了一套聚焦纹影装置.主要在均匀照明流场、切割光栅的制作和不通过成像屏的高速相机直接记录等方面进行了改进工作,得到了较好的显示结果,并在小激波风洞上进行了相关的验证工作.同时,对采用聚焦纹影显示高速变化的流场也进行了探索,提出了相关的建议.     

悬停状态旋翼流场显示的试验研究

介绍了悬停状态旋翼流场显示的试验方法及相应的试验装置，阐述了用干冰汽化时产生的烟雾作为流场显示介质的优越性。指出显示介质的选用应综合考虑介质对流场显示效果的影响、介质对设备和操作人员的危害及试验的经济性和可行性等因素。并对烟雾喷嘴与旋翼相对位置对流场真实性的影响进行了研究，着重研究了浆尖涡喷嘴的不同径向位置位置对流场边界的影响及确保流场真实边界应采取的措施。最后，用试验的方法定性分析了浆叶片数、浆尖速度及浆叶安装角对悬停状态旋翼流场几何开状的影响。试验结果表明，本文研究方法与国外同类试验相比，在达到同样的流场显示效果的情况下，具有试验费用低、操作简便和对人、设备无危害的优点。     

激波风洞流场密度测量的聚焦纹影技术

在激波风洞试验中发展了聚焦纹影显示技术,对流场的密度进行了定量测量.聚焦纹影显示具有对流场区域聚焦显示的特点,可获得流场某个聚焦测试区域的密度变化信息.依据聚焦纹影成像原理建立了密度计算数学模型,对试验中获得的带窗口模型流场聚焦纹影图像与试验前获得的流场图像灰度变化处理后,得到了流场聚焦区域的密度定量值.试验测量密度值与数值计算结果进行了比较,结果表明试验获得的密度值变化规律与数值模拟吻合较好,证实了利用聚焦纹影技术开展流场密度测量是可行的.     

犘犐犞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。     

荧光微丝在低速风洞试验中应用的关键技术研究

荧光微丝法是将含有荧光物质的直径极小的丝线粘贴布置于模型表面,在紫外线照射下呈现出明显的荧光效果,以此来显示模型表面流场的试验方法,能减小丝线对流场的干扰进而更加真实地反映流场特征。基于在西北工业大学NF-3低速风洞中进行的某大型民机增升装置风洞试验,完成了低速风洞中使用荧光微丝法进行表面流动显示的关键技术研究,包括荧光微丝的制成及粘贴方式、光源的选择及拍摄技术等。模型机翼上表面丝线在不同迎角下的流谱清晰直观、区别明显、易于判读,可较为精细地反映流经翼面的气流状态和范围,并可清晰反映表面流谱随模型姿态角的连续变化情况。同一工况下与荧光油流流谱相一致,说明可较准确地显示流场。与测力试验结果的对比可以看出,荧光微丝流谱结果与测力结果相对应,可以更好地用于流场分析。     

80°三角翼流动显示和涡频测量试验研究

在中国航空工业空气动力研究院FL-5低速风洞进行了80°三角翼流动显示和涡频测量试验研究.介绍了能产生扫描式6片光的旋转镜平行多片光装置;介绍了能产生连续、均匀的示踪粒子且粒子浓度可调的气压式粒子发生器;介绍了测量涡跳动频率的光学方法和用应变天平测量模型抖动频率的方法,并对大迎角和大滚转角时涡跳动频率和模型抖动频率进行了测量,结果表明:a=42°、φ=42°时模型抖动频率(7.2Hz)和涡跳动频率(7.75Hz)接近,模型的抖动可能是由前缘涡的非定常跳动引起的;介绍了流动图像处理的相位平均技术,该技术可用于动态流动显示和测量,并可对动态迟滞效应进行定量分析;介绍了流动显示图像的三维重建技术,该技术可用于显示空间涡的结构并分析其机理.     

从一维正投影光流场恢复二维刚体运动和结构

研究从一维正投影光流场恢复二维刚体运动和结构。证明利用一维正投影光流场中最少3个光流点可以完全确定刚体的二维旋转运动参数，一般情况下有2个解，尽管不能确定刚体的二维平移运动参数，但利用一维正投影光流场可以完全确定二维刚体的结构。文中给出了具体算例。     

一个非常规前体机身的流动显示研究

描述了有类似Ｅｒｉｃｋｓｏｎ前体的非常规机身的初步流动显示研究结果,包括测力、表面油流和激光片光流动显示结果和用层流Ｎ－Ｓ方程进行数值模拟的结果。计算和试验的参数范围：α＝０°～５０°,β＝０°～２０°,虽然计算与试验所用的外形在后部有一些不同,但是两者在涡的位置方面显示了良好的一致性。同时研究也表明,大攻角的流动特性可以通过改变机身前体形状进行控制。通过研究还表明,这类前体在改善大攻角横侧方向安定性方面具有很大的潜力。     

光流场测试图像序列和真实数据生成方法

本文提出了一种利用光线跟踪算法生成光流场测试图像序列和真实数据的新方法，用该方法得到的图像序列和真实数据可用于光流场算法的定量比较和定性分析，对光流场计算有重要意义。     

一种基于光流的行人目标跟踪与分割方法

为了对非限制场景中的行人目标实现跟踪和分割,研究了一种基于光流的行人目标跟踪与分割方法。采用传统光流场的计算方法,获取行人运动所产生的光流场,将光流场中像素点的幅值信息及像素点在帧间运动的方向角度信息相结合,使光流场中所包含的前景目标物体的运动信息更加完整,更具鲁棒性。根据行人在连续帧间运动时,行人和背景之间边界位置像素点亮度变化的特点,实现对行人目标的跟踪。采用改进的内外映射方法,获取动态目标内部像素点,实现对视频前景行人目标的分割。实验结果表明,该方法能够准确地实现对非限制场景中行人目标的跟踪与分割。     

翼尖附近流场研究及帆片减阻机理

在１米低速风洞中，对半展长直机翼翼尖用围空间流场进行了详细地研究，并分析了翼尖帆片的增升减阻机理。根据理论计算并结合试验结果设计的翼尖机片，经大低速风洞全机模型试验证明：翼尖装三个机片可使全机诱导阻力因子减小２１．４９％。这可供帆片设计时参考。     

CCD图像系统与实时全息技术在超音速风洞流场显示中的应用

利用ＣＣＤ微机图像系统和实时全息技术，实时地显示并数字化采集在０．３ｍ×０．３ｍ跨超音速风洞中，Ｍ＝１．９９时绕钝锥及攻角为１５°尖锥的三维复杂流场的全息再现干涉图。加用频闪光调制器解决了省去脉冲激光器而只用同一连续氦氖激光实现清晰地实时监视，同时以两倍帧频连续瞬间采图的兼容问题　，物光参考光都用平行光，良好自然的干板制备、复位、使实时全息用于风洞实验不再困难。     

横向喷流引起的三维复杂干扰流场结构研究

研究了横向喷流引起流动分离的干扰流场特性,利用表面压力分布测量和纹影、油流等试验方法研究了此类流场的细节结构,给出了干扰流场的结构分析图。     

采用内部测温估计表面热流在高超声速风洞试验中的应用

表面热流预估方法利用试验件内部的温度来预估其表面热流。该方法的最大优点是测量温度的热电偶是内埋在试验件内部,不与外界的高温气流直接接触。该方法为高超声速飞行器飞行实验估计表面热流提供一种可行的途径。为了验证该方法在预测外界流场特性方面的能力,在航天空气动力技术研究院(CAAA)的 FD-03风洞中开展了一系列高超声速气动热风洞试验。试验中采用一块铝合金试验板,部分试验采用光滑平板,其余试验在试验平板的表面添加拌线以干扰外界流场。而后采用热流估计方法预估试验板的表面热流。预估结果表明,如由拌线产生的激波等外流场的强烈变化将在估计的热流结果中得到清晰的显示。     

小口径武器膛口流场可视化实验

开展发射条件明确的高分辨率膛口流场可视化实验,对深入揭示膛口流场的发展机理、改善武器性能、验证数值方法的可行性等方面具有重要的现实意义.分别在光膛口及安装不同膛口装置条件下,采用直接阴影法对小口径武器膛口流场进行了可视化实验,获得了大量清晰地高分辨率时序阴影照片.这些照片清楚地再现了各条件下的冲击波/激波、弱压缩波、接触间断、射流边界等在内的典型膛口流场特征.据此,详细讨论了不同条件下的流场结构及动力学发展过程.这些可为数值计算及相关武器研究提供直接的实验对照和参考.     

二维波动板流动显示方法研究

介绍了在水洞中进行的二维波动板周围流场的流动显示实验。通过氢气泡、粒子示踪法和粒子成像速度仪三种方法定量和定性地显示了二维波动板周围的流场结构。揭示了特征参数C／U与流场特性的关系,探讨了鱼类波状摆动对流动分离的抑制机理。同时还对三种不同的流动显示技术进行了探讨。