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.     

聚焦纹影显示技术在激波风洞的初步应用

为了在激波风洞试验中满足流场的密度场定量测量、三维流场显示和大视场观测,发展了聚焦纹影显示技术.该技术具有对流场区域进行聚焦显示的特点,获得的流场信息主要反映某个测试区域的特性.笔者对该技术的原理、系统组成、调试情况以及风洞试验结果进行了介绍.调试和试验结果表明:(1)该系统灵敏度高,获得的照片清晰,使用激光光源时不受衍射和干涉噪声的干扰;(2)该系统可以获得急剧聚焦深度小于5mm、测试视场(100mm的聚焦纹影图像,通过改变成像平面位置可以获得不同区域的聚焦纹影图像;(3)静态和动态聚焦纹影图像灰度变化数据将为某聚焦区域密度定量值计算奠定基础.     

合成纹影技术在内波实验研究中的应用

纹影方法是重要的密度场可视化手段.文章重点介绍实验室研究中一种新型密度场测量方法-合成纹影技术,阐述了合成纹影技术的原理.利用光源、背景模板、实验水槽、图像采集设备搭建了合成纹影系统,将合成纹影技术应用于垂直振荡圆柱和往复潮流过地形生成内波两个实验,结果验证了合成纹影技术在内波实验中定量测量密度场的可行性和准确性,为合理使用合成纹影技术进行密度场可视化测量提供借鉴和参考.     

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。     

基于发散光反射式布局的大视场显示方法研究

更大尺度风洞和试验模型以及更长射流的流场测量,对流场显示的视场尺度提出了更高要求.设计和验证两种基于发散光反射式布局的大视场显示方法,分别为反射式聚焦纹影方法和反射式阴影方法.通过改进源格栅和光源,在实验室搭建了一套反射式聚焦纹影显示装置,获得了直径约1.5 m的视场结果.视场均匀性和试验条件下的最短曝光时间表明该方法...     

一种应用于水流的纹影特性光流测速算法

本论文基于光流优化算法,发展了一种适用于水流的纹影特性光流测速算法。在存在密度梯度的条件下,纹影图像的亮度反映了流场折射率的一阶导数,结合纹影亮度方程和流体连续性方程推导了适用于水的物理约束条件,采用二阶散度–旋度正则化作为空间平滑约束条件,基于两个约束条件构建了能量方程,通过变分法对能量方程进行最小化求解获得速度场。以热羽流为例,使用该算法对浮力羽流纹影图像进行了计算,并与互相关算法和传统光流算法的结果进行了比较。结果显示:本研究提出的算法能更好地体现流动特性,得到更高的空间分辨率。该方法基于纹影图像,无需在流场中添加示踪粒子,对流场无干扰,具有结构简单、使用方便等优点。     

背景纹影测量技术研究与应用进展

背景纹影法是2000年左右新出现的非接触式光学测量技术,可用于变密度流动的可视化和相关折射率场的定量测量。与经典的刀片式（Knife-edge）、彩虹式（Rainbow）纹影测量技术比较,BOS具有硬件搭建简单、标定方便、测量视窗不受光学元器件尺寸限制等显著优点。通过详细介绍BOS方法的基本原理与核心性能指标,并依据搭建BOS流动测量系统的思路,回顾了近年来国内外BOS技术的发展情况,最后介绍了BOS技术在超声速流动、燃烧、等离子体等复杂流动领域的应用。     

测量透明位相物场的激光纹影-散斑干涉系统(英文)

本文给出了诊断相位场,如燃烧、对流、自由射流、超声速流场和等离子体等的一种激光纹影-散斑干涉系统。利用这套光学系统可在同一瞬时获得流场的散斑图和与之相应的剪切干涉图。作为实验,对一非定常波动的火焰(本生灯)进行了测试,实验表明用散斑照相术有可能得到密度波动的湍流场的定量结果;作为定量测试,对一沿竖直平板的自然对流,同时应用散斑照相和差纹影干涉术进行了定量分析,其结果的一致性很好。本文最后给出了散斑图的傅氏变换空间滤波的全场类似子纹影干涉图的流场显示照片。     

纹影系统中物平面的选择与刀口的设置

纹影方法是重要的流场可视化手段,实验前需要对纹影系统进行细致调节,物平面的选择与刀口的设置是影响纹影图像信息的关键环节.以穿过火焰的光线偏折特性和成像记录为例,分析并比较了不同物平面下所获图像特征,说明了在撤掉刀口的情况下消除图像的阴影效果是确定纹影物平面的有效方法.基于纹影法的工作原理和刀口进给量与纹影图像的对应关系,分别讨论了刀口方向选择、焦点位置确定和刀口切入量设置.为合理使用纹影系统进行流场可视化测量提供借鉴和参考.     

电子束荧光技术用于测量高超声速飞行器流场密度

一种新发展起来的用电子束荧光技术直接测量高超声速模型周围流场密度的方法,首次在科学院力学所 JF-4B 高超声速炮风洞中对7°尖锥在 M_∞=7.8时进行了流场密度的测量,给出了模型表面边界层中分离与不分离两种情况下的平均密度和脉动密度剖面分布及电子束荧光的校准结果。验证了这项新的测量技术能成功地用于高超声速飞行器复杂流场中的密度测量。     

背景纹影定量化在层流轴对称火焰温度场测量中的应用研究

本文以本生型甲烷/空气层流预混火焰为研究对象,研究了背景纹影技术在层流轴对称火焰温度场测量中的应用。考虑到背景尺度对窗口和相机参数的限制问题,采用了多尺度小波噪点背景。比较各类运动图像处理技术的特点,选用变分光流法获取光线穿过火焰后的偏转角。搭建实验台并进行背景纹影火焰测温实验,实验中发现,在选用多尺度小波噪点背景的情况下,由变分光流算法获得的像素位移分布图的噪声小于同等条件下由互相关算法得到的结果。最后,假设火焰呈轴对称分布,结合Gladstone-Dale公式与理想气体状态方程分别获得了甲烷火焰当量比为1.06和0.83这2种实验条件下的温度场,所获得的温度分布与Raman-LIF法的测温结果相比,趋势基本一致。     

封闭空间中不同压力下火焰过孔板加速机理研究

爆震或超级爆震发生时总会伴随着湍流火焰-冲击波相互作用,对其开展研究是揭示爆震或超级爆震机理的关键,研究火焰加速产生压力波的过程是火焰-压力波相互作用研究的基础性前提。基于自主设计的定容燃烧弹和Converge三维数值模拟方法,对封闭空间中火焰过孔板加速机理及影响因素开展了研究,讨论了初始压力对火焰过孔板加速的影响。依据火焰传播形态与速度,将火焰过孔板加速过程分为3个阶段:层流火焰阶段、射流火焰阶段和湍流火焰阶段。通过分析火焰过孔板过程中的流场情况,发现在火焰未到达孔板前,孔板附近存在强射流,火焰受强射流的驱动而急剧加速;但当火焰穿过孔板之后,火焰锋面前的流场速度沿着远离火焰的方向而逐渐下降,说明开始由火焰驱动未燃气体运动。比较不同压力下的火焰过孔板过程,发现湍流火焰传播速度和缸压振荡均随着初始压力的提高而升高。     

平面非规则曲线匹配的一个判定条件

在平面非规则曲线匹配问题中，扫描平面非规则曲线而可以得到一系列不连续的点，如何尽量准确地求取这些点的曲率是一个难题。把相邻3个不连续点看作一段圆弧上的3点，在此基础上提出了一种求取3点中中间插值点切线的斜率的一种算法，并把这个斜率用到三次Hermite插值曲线中．求取插值点的曲率，每个插值点的曲率由相邻的4个点决定。两条平面非规则曲线上时应点的曲率相等则这两条曲线匹配。最后用扫描碎纸片的几组数据进行了实验，实验结果表明该算法是可行的。     

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.     

新型双出口合成射流激励器的流场特征研究

设计了一种新型双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),测试了激励器出口的流场特性,包括瞬态和时均流动结构.结果表明,相比常规合成射流激励器,新型激励器一侧出口呈现为明显抽吸作用,另一侧出口流动带有合成射流流场特征,在出口下游得到一股放大了的单方向射流.新型合成射流激励器单侧出口的抽吸作用,在常规激励器基础上形成新的流体"微泵"工作机制,不仅放大了合成射流能量大小,同时实现了不同区域内流体的"定向输运",其外流场特性更加有利于边界层分离、射流矢量偏转等主动流动控制.     

不同湍流强度下煤粉颗粒群着火及燃烧特性的光学诊断研究

利用Hencken型平面火焰燃烧器搭建携带流反应系统,研究了不同湍流强度下煤粉颗粒群的着火及燃烧特性。煤粉被一次风送入温度、氧含量（本文所称"氧含量"是指氧的摩尔分数,mole fraction）可调节的高温烟气中形成稳定的射流火焰,利用OH平面激光诱导荧光技术（OH-Planar Laser-Induced Fluorescence,OH-PLIF）观测煤粉射流火焰着火、群燃等阶段的瞬态结构,基于对火焰图像的处理探究煤粉颗粒群的着火及燃烧特性。OH-PLIF的测量结果表明,在煤粉射流火焰的上游,射流外围区域的煤粉首先发生脱挥发分并着火,外围已燃的煤粉释放出大量热量并不断向射流内部传递,促进了射流内部区域煤粉颗粒群挥发分的析出。在高速一次风的卷吸及扰动作用下,析出的挥发分与氧之间不断扩散、混合,燃烧的OH锋面逐渐向射流中心区域延伸并连接成片,出现挥发分群燃火焰。实验结果表明:层流状态下,煤粉射流火焰窄而明亮;随着一次风湍流强度的增强,射流中煤粉颗粒的扩散运动变得剧烈,火焰形态发生变化,着火距离显著缩短。本文定量地研究了不同湍流强度下背景烟气温度（1200~1700 K）、烟气氧含量（10%~30%）以及一次风氧含量（5%~45%）对煤粉颗粒群着火延迟的影响规律。随着背景烟气温度、送风氧含量的升高,着火延迟时间逐渐缩短,但存在阈值现象,一旦背景烟气温度或送风氧含量超出某一阈值,其对煤粉颗粒群着火延迟的影响变弱,控制煤粉颗粒群着火行为的主导因素随之发生改变。     

基于斜出口合成射流激励器的边界层分离控制

设计了一种新型斜出口合成射流激励器,采用粒子图像激光测速仪(PIV)流场测试技术对其非定常瞬态与时均流场结构进行了研究.结果表明,右斜出口合成射流激励器工作时的质量均来源于激励器出口左侧.出口右侧由于射流的附壁效应和相邻出口间的相互"接力"诱导作用,激励器出口右侧呈现为更强的沿壁面切向方向的动量输运特性,这种流动特性更加有利于进行边界层分离流动的控制.最后,采用该合成射流激励器对逆压梯度下的边界层分离控制进行了应用尝试,实现边界层分离流动控制的目的.     

超声速自由涡气动窗口剪切层光学性能的优化设计研究

在超声速自由旋涡气动窗口应用中,高能激光束实际上是透过超声速自由旋涡射流的剪切层输出的,激光束会受到剪切层的退化畸变。为了减少这种畸变,优化超声速剪切层光学性能,提出了超声速自由旋涡射流的压力匹配和折射率匹配剪切层的设计方法。提出了两种类型的折射率匹配剪切层的设计方法,讨论了其设计过程。这两种剪切层分别为按照某种比例混合的He/Ar混合气体作为自由旋涡射流的工作气体时的折射率匹配剪切层,以及选用加热到某个温度的干燥空气作为自由旋涡射流工作气体时的折射率匹配剪切层。     

发动机三喷管流场和红外辐射特征数值研究

对火箭发动机三喷管喷流场和红外辐射特性进行了数值模拟,得到了三股燃气射流在射流起始段互相作用而产生的复杂流场特征。当射流喷出后,由于压力高于背压,气流发生膨胀,射流边界向内收缩,同时会产生压缩波以抑制因压力降低而产生过膨胀现象的出现;压缩波扩展并增强为激波,随下游距离增加,膨胀波及压缩波区的尺寸和波强不断削弱。一旦射流发展至下游26倍助推级发动机排气喷管直径处,三股射流将合并成为一股射流而继续发展。三喷管排气喷流的红外辐射强度空间分布与单喷管喷流的红外辐射空间分布基本一致,但三喷管的排气喷流和内腔的总体红外辐射在水平面和铅垂面上的空间分布存在显著的差异。