可视化技术在分析新型蓄冷材料—笼型化合物（Clathrate）溶解过程中的应用（一）

混浊液内部的流动，由于微粒子之间的相互作用以及因浊度高不易进行内部观察，所以无论是分析还是可视化实验都相当困难，存在着许多未弄清的问题，通过采用折射率匹配（Refractive-Index Matching)技术，使透明的微粒子与溶媒的折射射率近乎相同，做成一透明的“混浊液”，从而使混入其中的示踪粒子的运动轨迹能被摄像机捕捉到，并以微粒子的沉降和温度的干涉所引起的流动现象为焦点，利用图像速度测量法来处理分析所拍到的可视化图像，成功地获得了定量的混浊液内部的速度场，为进一步揭示混浊液内部自然对流的流动机理提供了实验依据。     

粒子像测速技术（PIV）和激光散斑测速技术（LSV）的实验研究

本文应用粒子像测速技术（ＰＩＶ）和激光斑测速技术（ＬＳＶ），对Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｂｅｎａｒｄ对流流动进行测量。说明这两种技术原理和数据处理方法是相同的，他们的区别聚决于源密度（Ｓ．Ｄ．）。当Ｓ．Ｄ．≤１时，是粒子像模式，当Ｓ．Ｄ．〉１时，则呈现激光散斑模式。实验表明，三次光脉冲系统比二次光脉冲系统在测量信噪比方面改善很多。     

电弧加热发动机温度和速度的测量

本文着重介绍光谱辐射法、激光诱导荧光法、静电探针法等接触式和非接触式测量技术在电弧加热发动机 (Arcjet)参数测量中的应用。讨论了电子温度、重粒子温度、羽流速度等参数的测量 ,并对一些结果进行了分析与论证 ,指出非热力学平衡态下不同的测量技术测量的是不同的温度指标。从测量技术的发展来看 ,激光测量技术将成为参数测量的主导技术。     

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。     

基于背景纹影技术的随机介质折射率场测量

针对光线通过复杂流场时产生的光传输效应问题,提出了基于背景纹影技术的复杂折射率场测量方法,给出了根据粒子图像偏移量求解折射率场分布的计算方法和推导过程,并对该方法的分辨率与灵敏度进行了理论分析。在此基础上,对火焰上方折射率场的分布进行了实验测量,利用粒子图像测量(PIV)技术对实验图像进行处理。结果表明:实验测量得到的空气折射率最大值为100029,最小值为100009,测量有效值小于00001。表明该方法具有较高的测量精度,能够有效实现复杂折射率场的实时精确测量。      

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.      

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。     

白光氧气泡图像测速技术

本文介绍一种白光氧气泡图像测速新技术。用电解水产生的氧气泡做为流场示踪粒子,用两个闪光时间间隔由数字电路控制的普通闪光灯做为粒子图像底片记录的多脉冲光源,取代了以往PIV测速技术中通常所用的固体示踪粒子及大功率激光光源。该技术的显著优点是实验成本低,无污染,而且光源功率需求低,并且可以获得高信噪比的粒子图像记录底片。通过实际应用说明该实验技术是水洞力学中速度场测量的一种有效方法。     

基于神经网络补偿的室内无人机组合导航系统

针对无人飞行器在环境特征突变情况下数据融合的可靠性大幅下降问题，提出了神经网络预测补偿的组合导航算法。首先利用扩展卡尔曼滤波和粒子滤波对激光、光流等传感器得到的数据进行融合，然后采用径向基函数（RBF）神经网络对粒子滤波前后的误差进行预测。当激光数据可靠时，RBF神经网络进行训练学习模式，当激光数据中断或者不可靠时，利用训练后的模型对系统进行误差补偿。利用无人飞行器在室内环境下进行定点和轨迹实验，结果表明补偿后的位置导航信息能够明显降低激光数据不可靠时带来的定位误差。     

基于微型涡流发生器的横向射流被动控制研究

微型涡流发生器放置于喷孔上游,采用纳米粒子平面激光散射(Nano-particle Planer Laser Scattering,NPLS)对微型涡流发生器诱导下的超声速横向射流进行了层析观测,并采用粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)方法计算了观测区域速度分布。对不同流向位置的穿透边界和横向扩散进行提取和统计平均,发现引入涡流发生器后射流穿透边界比未引入时提高了27%左右,而横向扩散最高提高了12.6%。分析涡流发生器尾迹速度场发现,尾迹在射流穿透方向上的诱导速度对射流穿透深度有重要作用,尾迹与射流在近场区域的相互作用是影响射流穿透深度和横向扩散的关键因素。     

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。     

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。     

燃烧与流场在线测量诊断方法研究进展

介绍了上海理工大学颗粒与两相流测量研究所近年来在燃烧和流场在线测量诊断技术方面的研究进展,包括：改进基于光纤光谱仪的火焰辐射温度测量技术,提高火焰温度的测量精度与范围并反演出火焰辐射率及液体燃料组分;辐射与吸收光谱相结合测量脉冲燃烧火焰温度和水蒸气浓度;基于激光诱导荧光法测量喷雾液滴温度;强烟尘水滴干扰条件下基于差分吸收光谱法（DOAS）测量排放污染气体（SO2和 NOx ）浓度;基于饱和蒸汽原理的光谱法研制汞连续排放监测标准系统;光谱法与图像法结合测量高温物体温度场;基于单帧单曝光图像法测量多相流速度场与粒度分布;基于可调谐半导体激光吸收光谱法（TDLAS）同步测量液态纯水水膜蒸发过程中液态参数（水膜厚度及温度）与气态参数（水膜上方水蒸气的温度）等。     

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。     

共轴式双旋翼诱导速度的PIV水洞试验研究

采用PIV（粒子图像测速）技术,对共轴式双旋翼在悬停和以不同速度前飞时的流场进行水洞试验,测量得到旋翼流场的速度和涡量分布,主要研究了共轴式双旋翼流场的垂向诱导速度沿径向的分布规律。为了比较,对单旋翼也进行了测量。试验结果对共轴式直升机的气动计算和合理设计具有重要意义。     

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     

梯度磁场推进扩散火焰燃烧的实验研究

用数字粒子图像测速技术(DPIV)测量了扩散火焰周围气流在梯度磁场作用下的速度分布,并与无磁场作用下的速度分布比较。结果表明当梯度磁场作用于扩散火焰时,火焰周围气体运动被加速,火焰的形状变得尖锐,亮度增加。实验定量地验证了梯度磁场可以诱导气体对流的发生,从而进一步推进扩散火焰燃烧反应。     

等离子体气动激励的加速特性研究

进行了静止空气条件下等离子体气动激励加速特性的实验研究与讨论,使用皮托管和粒子图像测速仪分别对诱导气流速度进行了测量与结果分析。实验结果表明:激励参数(激励电压、频率和电极组数目)的改变,对等离子体气动激励的加速特性有不同程度的影响。进行了等离子体气动激励诱导气流加速机理的讨论,证实了等离子体气动激励作为飞行器和动力装置的主动流动控制具有广阔的研究与应用前景。     

“高压放电”对空气作用的试验研究

为了进一步提高＂高压放电＂对空气加速的能力,采用粒子图像测速（Particle Image Velocimetry,PIV）技术,研究了电极形状、电极电压、电极间距、布置方式等激励参数对气流的加速度和最终速度的作用规律。研究表明,采用针式电极能获得较高的极间空气诱导速度。研究结果为进一步提高诱导空气速度,掌握高效的流动控制技术奠定了基础。     

高精度激光准直技术的研究（二）

（上接1997年第17卷第1期第6页）5激光族光准直技术将偏振光矢量方位的检测方法用于准直测量，这项研究始于80年代初[13]，其高灵敏度的特点引人注目；但由于许多技术上的障碍难以得到实际应用。我们经过十几年孜孜不倦的努力，使旋光准直技术无论在理论上还是实践上都得到了很大的发展。图4是最基本的旋光准直光学系统。激光束经起图4旋光准直光学系统偏器P得到优于10－5的偏振度，经磁光调制器（法拉第盒）F，出射光束的偏振矢量方向产生产角的偏转其中，V为维尔德常数；L为磁光棒的长度；B为磁光线圈孔中的磁感应强度。若磁光线圈以串…