NPLS流场测量技术在高超声速风洞中纳米粒子跟随性数值仿真

从描述粒子运动的微观层次出发，采用双向耦合技术，建立了一种适用于稀薄条件下两相流动的DSMC数值模拟方法。对相间相互作用进行解耦处理，实现了气固两相间动量和能量相互作用的模拟。采用基于DSMC方法的稀薄两相流双向耦合算法，对NPLS测量技术高超声速流场测量中纳米粒子的跟随性进行了数值研究。通过Φ50nmTiO₂粒子在不同高超声速流场条件下气相-纳米粒子两相流场的仿真，表明在稀薄度很小的流场中，纳米粒子的跟随性很好。而随着流场稀薄度增加，流场中纳米粒子的跟随性降低，纳米粒子在流场中的分布与气相流场分布差异变大，通过NPLS测量得到的激光散射信号不能反映流场结构。     

超声速混合层中PIV粒子的湍流变动作用研究

对二维超声速气固两相混合层进行双向耦合,研究了粒子图像测速技术（PIV）中示踪粒子对超声速混合层的湍流变动作用。超声速气固两相混合层的气相采用大涡模拟,离散相采用拉格朗日颗粒轨道模型求解。结果表明:与无负载示踪粒子时的超声速混合层相比,小Stokes数示踪粒子在超声速混合层中的布撒减弱了流向湍流,而强化了法向湍流,使雷诺应力峰值增大了9.68%;大Stokes数示踪粒子对混合层的湍流脉动起到了一定的削弱作用,最大雷诺应力值只有无负载时的41.74%。大质量载荷时,大量示踪粒子的运动尾迹抹平了部分法向速度脉动,使最大法向速度脉动只有无负载粒子时的38.63%;中等质量载荷时,超声速混合层的法向速度脉动和雷诺应力峰值与无负载粒子时相近;而小质量载荷时,超声速混合层中心线及其附近的法向速度脉动得到较小的增强,而最大流向速度脉动却被削弱了19.29%。小Stokes数和中等质量载荷示踪粒子对原始无负载粒子时的流场影响相对较小,研究结论对高速流动PIV测试有着重要的参考价值。     

气固两相自由射流的瞬态流场研究

为深入了解气固两相流的瞬态特性，对出口内径为10mm的气固两相自由射流流场进行了PIV实验研究，同时应用Fluent软件对其进行了数值计算加以对比。对实验和数值计算的气固两相速度场和固相浓度场的分析发现，气固两相射流中，固相的分散度小于气相，两相间存在明显的滑移速度；固相粒子集中在射流轴线附近，在射流中的扩散小于气相。     

多孔压敏荧光粒子的制备与流场压力/速度测量的性能表征

开发了一类微米级压敏荧光粒子。该粒子由表面多孔的空心二氧化硅（SiO₂）粒子与压敏荧光材料（PtTFPP和Ru（dpp））融合而成。通过浸染方法使压敏荧光分子附着于粒子上,形成多功能示踪粒子,从而将粒子图像速度场测量技术（Particle Image Velocimetry,PIV）与压敏漆（Pressure Sensitive Paint,PSP）技术相结合,发展了一种流场压力与速度同步测量的技术,为流体力学研究提供一种崭新的实验测量手段。利用PSP静态与动态标定系统,对压敏粒子的信号强度、压力敏感性与压力响应时间进行了测量,研究了不同粒径和不同材料对压敏粒子性能的影响。测量结果表明,制备的压敏粒子具有较好的压力敏感性,其压力响应时间区间为40~70μm,符合测量流场瞬态压力的需求。分析了粒子在流场中的跟随性能,其中2μm粒子松弛时间为7.5μs,有较好的跟随性能。     

应用PIV技术对气固两相流粒子浓度场的瞬时测量

气固两相射流有着广泛的应用领域。但如何测量瞬态的粒子浓度和粒子速度目前还没有很好的解决。笔者采用PIV技术,能瞬时测量气固两相射流轴对称平面上粒子浓度分布、粒子运动速度。     

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。     

用脉冲光屏法测量高温等离子体流场中的粒子

粒子场测量技术目前广泛用于气液、气固两相流中，但是在等离子体流场中的粒子测量目前尚未很好解决。本文采用序列脉冲激光屏多次曝光摄影法，克服了流场的严重干扰，在电弧加热器等离子体流场中，对飞行速度达２０００ｍ／ｓ的粒子实验获得成功，得到某一截面内粒子的尺寸、空间分布及数密度等参数。     

胶囊机器人管内流场的数值模拟和实验测量

胶囊机器人广泛应用于人体肠道的检查和治疗。根据永磁体法,设计制造了一种磁控光滑胶囊机器人。基于计算流体动力学（CFD）方法,模拟了胶囊机器人在充满黏液的管道内旋进（旋转和平移）时,其周围流体的流场（速度和涡量）;利用粒子图像测速（PIV）技术测量该流场;计算了胶囊机器人以不同转速旋进时,管道内流体流场以及胶囊机器人所受到的阻力、阻力矩和周围流体的平均湍流强度等。最后,还对胶囊机器人周围流体流线的形状和分布、流体速度及涡量的分布和大小进行了实验测量。结果表明:1）随着胶囊机器人转速的增大,胶囊机器人四周和下部区域流体速度和流体涡量都略微增大,而其周围流体的流线和涡量分布规律基本相似。2）随着胶囊机器人转速的增大,胶囊机器人前进方向所受阻力矩和周围流体平均湍流强度均增大,而其前进方向所受阻力基本不变。3）实验测量到的胶囊机器人周围流体流线的形状和分布、流体速度及涡量的分布和大小与数值计算结果基本相似。     

管式电除尘器中粉法颗粒运动轨迹的数值模拟

对管式电除尘器中的气固两相流动流场进行数值模拟,实质上是研究粉尘颗粒在有电场力作用下的运动轨迹。计算中,将气相作为连续介质,采用Ｋ－ε双方程湍流模型,并用ＳＩＭＰＬＥ算法对流场进行数值模拟;将固相作为离散体系,采用颗粒轨迹法计算其运动轨迹。计算时分别选取４种电压、４种气流速度和４种颗粒直径为计算工况,计算结果显示出颗粒运动特性和除尘效率,并指出其与电压、气流速度和颗粒粒径等３个主要因素相关。计算结     

模糊逻辑方法用于气固两相流动PTV测量中的颗粒识别过程

采用人工智能中的模糊逻辑方法进行气固两相流动PTV测量中的颗粒识别,因更多地模拟人脑的思维过程使得识别效率得到大幅度的提高,同时,在识别过程中可以获取大量有关颗粒本身的信息,如形状和尺寸等,由此可将气固两相流动中的不同尺寸的颗粒区分开,从而可实现对气固两相流动的测量。     

基于图像分割的两相流PIV/PTV测量技术

介绍了采用图像分割技术,将密度较低的大悬浮颗粒和高浓度的示踪粒子共存的两相流场图像进行分离(相分离),对经过分割的悬浮相图像和连续相图像分别进行PTV和PIV运算,以实现对两相流动各个相速度场的同时测量.而后将基于相分离的PIV/PTV程序应用于对液固两相冲击射流流场的实验测量,并对测量结果进行了研究和分析,从而验证了相分离程序.实验结果表明,基于图像分割的PIV/PTV程序在两相流速度场测量中具有较好的实用性.     

应用三维粒子动态分析仪测量三分支联接流场

应用三维粒子动态分析仪 (3D PDA)测得了矩形截面三分支联接的三维速度分布。在测量中 ,经过理论分析与对比试验 ,选择了蚊香烟雾作为散射粒子。实验结果表明 ,在只有支管进气的情况下 ,在总管的封闭端和支管下游总管壁面处产生了回流 ;以及气流从支管进入总管后由于截面扩张在总管横截面上所诱发的二次流 ,并且二次流现象只发生在支管下游附近的总管横截面上。     

圆柱尾流场的 Tomo-PIV 测量

层析粒子图像测速(Tomo-PIV)是一种先进的光学测量技术,能够定量获取三维体视流场结构,可作为诸如湍流、多涡系干扰等三维复杂流场的有效测量手段。为了实现该技术在风洞模型测量中的应用,研究了工程应用和数据处理方法。在中航工业气动院 FL-5风洞,选取12mm 直径的圆柱体作为试验模型,应用 Tomo-PIV 技术测量了圆柱三维尾流场,通过解决体光源引入、示踪粒子投放和现场标定等关键技术以及对数据处理方法的研究,成功获得了圆柱体后方典型的三维卡门涡流场。测量区域约95mm×70mm×8.5mm,粒子图像分辨率达到20 pixels/mm,包含数万个速度矢量数据,实现了 Tomo-PIV 的风洞试验验证。     

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.     

高速流动中PIV示踪粒子松弛特性研究

示踪粒子的随流能力是 PIV 技术在高速流动中应用的关键点之一。在上海交通大学变马赫数高速风洞中开展了 PIV 实验研究,重点提出一种评价示踪粒子随流能力的松弛特性分析模型。在马赫数4条件下尖锥、尖劈等模型 PIV 实验研究中,可以准确分析粒子的松弛特性,粒径分析结果与实验吻合较好,并验证了高速流动 PIV的测试精度和示踪粒子布撒能力。     

结合火焰辐射与互相关法的燃烧颗粒速度测量方法研究

针对高温燃烧颗粒运动速度在线测量难题,提出了结合火焰辐射与互相关法的燃烧颗粒速度测量方法,并设计了相应的测量装置对平面火焰炉实验系统中燃烧煤粉颗粒速度进行了测量,布置了上下游2个相距6 mm的火焰辐射光强测点,通过对该2测点辐射光强进行互相关分析计算得到燃烧颗粒运动速度,实验获得了变工况下燃烧颗粒运动速度的变化情况,同时将其与数值模拟结果对比,相对偏差不超过10%,验证了该方法可为诸如锅炉煤粉燃烧、固体火箭发动机推进剂燃烧等恶劣环境下燃烧颗粒速度测量提供一种简单、有效的测量方法。     

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。