冷却介质在层板内流动特性研究(第一部分 利用粒子图像测速技术再现复杂流场)

探讨利用粒子图像测速(PIV)技术,实验研究冷却介质在层板内部流动特性的可行性.实验在满足相似性原理的前提下,用放大的有机玻璃模型,分区域再现了复杂结构内几个重要截面的二维流场.实验在雷诺数4.1×104下进行,从测量所得流体速度矢量图、等高线图及涡量图来看,虽然现有的PIV技术在测量精度上仍有欠缺,但是几个典型截面上所得到的实验结果是合理的,基本与本文第二部分展示的数值模拟结果相符合.因此利用PIV测速技术,验证层板内流数学模型和数值方法是有意义的.     

低速离心压缩机旋转失速的试验研究

对某低速离心压缩机无叶扩压器壁面静压波动和内部流场进行了详细的试验测量,重点研究了小流量工况下的不稳定流动和旋转失速.在试验中,首先使用高频动态压力传感器获得了不同流量工况下扩压器前盖板处的静压波动,并对测量结果进行了频谱分析,以确定旋转失速起始工况点和不同小流量工况下的失速频率.然后使用PIV测速设备详细测量了在失速条件下,无叶扩压器及叶轮流道内部的流场变化.试验丰富了对低速离心压缩机旋转失速流动现象的认识,为设计高性能的离心压缩机提供了丰富的实验数据.     

直升机典型城区环境流场计算与试验

首先,针对典型城区模型,在黏性非结构直角网格上求解了三维Navier Stokes（N-S）方程,并通过数值模拟计算了典型城区环境流场。其次,采用粒子图像测速（Particle image velocimetry,PIV）技术开展了城区流场测量试验研究。最后,通过对比试验与计算结果分析了典型城区流场特性。     

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.     

红外分子标记测速法

分子标记测速法（MTV）和粒子成像测速法（PIV）常被用于流动显示和流场成像测量,但在示踪粒子跟随性差、示踪粒子分布不均匀时,示踪粒子的引入会给PIV带来速度测量系统误差,而不需引入示踪粒子的MTV因荧光寿命长度限制,主要应用在高速和超声速流动测量中。为了发展无需示踪粒子、可适用于低速气流场的二维流速成像方法,本文介绍了一种基于激光诱导红外荧光的新型分子标记测速法,并在二氧化碳气体轴对称湍流射流中进行了速度测量与验证。在红外分子标记测速法中,通过红外脉冲激光选择性激发气体小分子的共振振动能级跃迁实现分子的标记,随后通过红外相机对不同时刻下跟随流场流动的激发态分子记录其发射荧光分布,进而处理得到流动速度场信息。通过考虑分子振动能量传递过程模型、有限荧光寿命、横向速度分量和分子扩散运动对荧光分布的影响,实现从荧光分布图像定量获取速度场分布。将该方法应用于5～51 m/s速度的二氧化碳湍流射流中,得到了射流轴向速度的径向分布,速度测量的相对不确定度优于8%,径向空间分辨率达到107μm,且该速度分布与湍流射流理论结果及前人实验测量结果符合较好。利用该方法分辨了射流在不同轴向位置的径向速度分布...     

基于飞秒激光电子激发标记测速技术的剪切流场速度测量

流场速度测量精度会影响飞行器气动性能的预测精度,常用的基于激光技术的非接触式速度测量方法已不能完全满足流场速度高精度测量需求,飞秒激光电子激发标记（Femtosecond Laser Electronic Excitation Tagging,FLEET）测速技术有望解决这一问题。利用钛蓝宝石飞秒激光器搭建了FLEET测速系统,分析了流场中的N₂分子在飞秒激光激发下的电子荧光光谱;基于FLEET测速系统,在射流剪切装置上开展了剪切流场速度测量实验,通过调节高速通道的流量/压力获得了不同速度分布的流场,开展了不同流场速度（30～170 m/s）下的FLEET测速实验;研究了延迟时间对流场速度测量的影响。结果表明:随着延迟时间增加,荧光图像会由于等离子体的扩散而发生弥散;FLEET荧光信号衰减会使信噪比有所降低,但不同延迟时间下得到的流场速度分布形态基本一致;FLEET技术在有效荧光寿命范围内具有足够的准确性应用于剪切流场速度测量。     

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.     

斜出口合成射流激励器非定常流场特性实验研究

设计了平直和倾斜单出口合成射流激励器,应用非接触粒子图像激光测速技术(PIV)对出口附近的非定常流场特性进行了研究,得到了两种激励器产生的合成射流的瞬态和时均流动结构.研究结果表明:斜出口和常规平直出口激励器流场结构存在明显差异,右斜出口激励器仅在出口左侧边缘形成集中旋涡,在右侧形成附壁射流,补充激励器内部质量的空气来自于尖锐出口左侧,时均流场呈现沿壁面的横向输运特性,其流动特性十分有利于进行边界层分离流动控制.     

径向导叶内流动分离特性的试验研究和控制

采用接触式探针和粒子图象测速技术(PIV)对导叶式离心泵径向导叶内流场的流动特性进行了研究。基于圆柱形微型三孔探针测试结果对5种流量下导叶的压力恢复能力进行了评估,测孔位置覆盖了导叶进出口截面和主线截面。压力恢复系数的理论值和试验值表明当流量大于导叶设计流量时导叶内产生了较大的静压损失。2C/2D PIV 可视化试验的研究结果表明大流量下导叶叶片压力面发生了流动分离。设计了不同参数组合的涡流发生器来对流动分离现象进行控制,试验研究了6种方案对模型泵大流量工况下性能的影响,获得一组最佳方案,并分析了采用该方案后导叶内的流动特性。     

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。     

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。     

LDV在静态混合器流场测量中的误差放大现象

LDV在静态混合器流场测量中,测得速度由非正交坐标系向三维笛卡尔坐标系变换时将引起测量原始误差被放大.结合误差传递的原理对该现象进行了理论上的研究,并通过实验测量和数值模拟对研究结论进行了验证.结果表明:LDV在测量中的速度方向转换能引起测量原始误差在某方向速度值中被放大;放大倍数与用来测速的两束光之间夹角有很大关系,当夹角较小时,原始误差会被放大十几倍甚至几十倍,且夹角越小,放大倍数越大.     

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.     

实压管道内天然气体积流量的PIV测试

利用PIV测试技术对DN100天然气水平管道内0.8MPa下的实流流场进行测试研究,得到旋度场、速度矢量场等.以实测速度矢量场的空间平均值拟合出圆管横截面上的主流速度分布并积分求得管流截面上的瞬时积分流量.试验通过连续测量发现了流场的瞬时流量存在明显的脉动特征;而在较长周期内采集到的瞬时流量呈正态分布,其平均值与声速喷嘴流量一致,测量精度与超声流量计相当.测试结果显示:该PIV系统可以用于体积流量计量,而较长周期内的瞬时流量均值可以作为标准流量.     

高频振荡输气机理的实验研究

应用二维激光多普勒测试仪，对高频振荡通气的气体运输机理作了实验研究。按正交试验设计，得到了在不同状态下，树状人工肺各级气管的速度、湍流度及雷诺数。结果表明，ＨＦＯ是一种更为复杂的气体运输，为临床实践中应用ＨＦＯ输氧提供了理论依据。     

PIV技术在涡轮叶栅内流场试验中的应用

对三种高环流系数叶片叶型和五种相对节距的涡轮叶栅进行内流场试验研究,在研究中采用粒子成像测试技术(PIV),获得叶栅内S1m流面的全流场流动信息,并采用拓扑图论原理经计算机进行图像处理,获得S1m流面的速度矢量场和旋度场。对所获得的叶栅内流场分析表明,随着涡轮环流系数的增加,液体流经叶栅的能量损失增大;随着叶栅相对节距的增大,叶栅内脱流区增大、漩涡区的旋度值随之增大。该研究结果将给涡轮叶型的设计提供有价值的参考。     

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。     

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。