流体力学实验.pptx

1第五章 流动显示技术及其发展 5.1 流动显示的一般概念流动显示的一般概念 1.流动显示（流动显示（Flow visualization）技术）技术:流场的可视化技术 流动现象的观察：流动现象的观察：1883年Reynolds转捩实验 1888年Mach关于激波现象的观察 20世纪初Prantle用金属粉末做示踪粒子，获得了一张沿平板的流谱图，提出了边界层的概念 1912年Karman对水槽中圆柱绕流的观察，Karman涡街的提出流体力学实验理论2 20世纪60年代对脱体涡流型的研究 70年代湍流拟序结构的发现 80年代对大迎角分离流和分离流型的提出 各种复杂流动（分离流，旋涡流，湍流，非定常流）的流动机理和应用研究 流动显示流动显示：可以对流动现象直接观察，获得流场直观直观、清晰清晰的物理图像及流动发展、演化过程的定性定性和定量定量信息，还是发现新的流动现象，建立和改进反映主要流动特征的理论模型的重要手段。3大气中的龙卷风自然界中的流动现象：自然界中的流动现象：火山喷发42.流线、迹线和染色线流线、迹线和染色线 流线：流线：用来描绘某一特定时刻流场中各点速度方向的曲线 迹线：迹线：流体质点在空间中运动的轨迹，即某一特定的流体质点在不同时刻速度方向所形成的曲线染色线：染色线：在流场中某个固定M点，对流经M点的流体微团染上颜色或附加上某些可视的标记，经过某个时间间隔后，在M点染上色的所有流体微团组成一条染色线，或称脉线。在定常流动中，流线、迹线和染色线相同。但在非定常流动中，是互不相同的。53.流动显示方法的分类流动显示方法的分类（1）示踪粒子流动显示示踪粒子流动显示：在透明无色的气流或水流中加入一些可见的粒子，通过可见的外加粒子跟随流体微团的运动来使各种流动现象显示出来。固态示踪粒子：水流（铝粉、有机玻璃粉末或聚苯乙烯小球等）气流（烟颗粒）液态示踪粒子：水流（牛奶、染料溶液）气态示踪粒子：水流（氢气泡、空气泡）气流（彩色氦气泡）6（2）光学方法光学方法：利用流场的光学性质，如气体的光学折射率是其密度的函数，通过流场的折射率变化来显示某些流动现象，通常用于高速流场中。（3）新一代流动显示技术新一代流动显示技术 激光全息方法 激光诱导荧光技术激光诱导荧光技术 光学表面测压技术 粒子图像速度场仪（粒子图像速度场仪（PIV）定性定量 定常非定常 二维三维7 1.染色线流动显示染色线流动显示 在被观测的流场中设置若干个点，在这些点上不断释放某种颜色的液体，它随流过该点的流体微团一起往下游流去，流过该点的所有流体微团组成了可视的染色线。旋涡运动的流动结构 染料选取：（墨水、牛奶、高锰酸钾和苯胺颜料的酒精溶液等）所选取的染料应使染色线扩散慢、稳定性好 染色液应与水流具有尽可能相同的密度（与酒精混合）染料颜色与流场背景形成强的反差（荧光染料）注入方式：在绕流物体表面开孔 直接注入流场中所需要观测的位置5.2 水流流动显示技术水流流动显示技术8横射流的染色线流动显示射流和横流相互作用下的三维涡环结构流速比2流速比392.氢气泡流动显示氢气泡流动显示 氢气泡流动显示技术出现在20世纪60年代初，适用于低速水流的流动观察，并可进行定量测量。基本原理：基本原理：水电解后产生氢和氧分子。在实验中，在水流中放置一根与流动方向垂直的很细的铂丝（直径为1020m），以金属丝为阴极，在水流的下游放一金属片作为阳极，当在两极之间施加电压时，在阴极丝上就会产生大量氢气泡，跟随水流向下游流动。10 基本装置：基本装置：发泡金属丝：发泡金属丝：一般采用铂丝，其直径应由氢气泡的直径和流动速度来决定 可控电路装置可控电路装置：直流电源或脉冲电源，电压、脉冲频率和宽度可调 光源和照相光源和照相：激光片光源或大功率片光源 在脉冲电压的作用下，沿着阴极线将产生一条条氢泡条带，随流速发生变形，可反映速度剖面。根据脉冲间隔和测量到的氢泡带位移可进行速度测量。利用数字图像处理技术还可复杂的氢气泡显示图谱进行分析和定量计算。11氢气泡流动显示水槽中平板湍流边界层近壁区域大尺度相干结构的猝发现象（侧视图）氢气泡流动显示水槽中平板湍流边界层近壁区域的低速条纹结构（俯视图）氢气泡流动显示的应用：氢气泡流动显示的应用：123.悬浮粒子流动显示悬浮粒子流动显示 用一些可视的固体微粒或油滴混在水流中，从固体微粒或油滴的运动状态来了解水流的流动结构。可用如下材料：聚苯乙烯微粒 铝粉 蜡和松脂的混合物制成的银白色小球 油滴13Q=19.5ml/s,C=3.813g/l,Ws 13.2 mm/s 含颗粒射流 14Q=23.8ml/s,C=3.374g/l,Ws 13.2 mm/s 154.漂浮物法漂浮物法 自由表面流动显示自由表面流动显示：在水面上放置漂浮的粉末或浮标来观察流动图像，可以采用的漂浮物如 铝粉 石松子粉（药品，淡黄色）纸花 锯木屑 特制的空心塑料球 在物体绕流实验中，可用石蜡涂在物体表面，可以减小表面张力作用，更好地显示物体表面附近的流动。165.片光流动显示片光流动显示 片光技术片光技术：流动显示中一种照明技术 三维流场：三维流场：直接拍摄和记录，记录在平面上的图像无空间前后距离的信息，难以分析。多个截面上的流动图像多个截面上的流动图像 片光显示的基本装置：片光显示的基本装置：激光束通过一定的光路系统扩束形成，包括激光器、球面镜、柱面镜等 设置形式：设置形式：单片光、多片光、扫描片光、非定常流动片光图像的脉冲记录技术174.3 低速气流流动显示方法低速气流流动显示方法1.烟线流动显示烟线流动显示 烟流法烟流法 在流场中引入示踪的烟颗粒或有色气体，观察气流的流动图形。引入烟流的速度在大小和方向上均应和当地气流一致。示踪物（烟）：示踪物（烟）：加热容易产生烟雾的油类（煤油、石蜡油），燃烧木材、卫生香、烟草等，碘气、氯气等有色气体，四氯化钛或四氯化锡液体吸收空气中的水蒸汽后产生的白色烟雾等18Smoke flow visualization over a wing 1920烟风洞：烟风洞：用于形象地显示绕流物体的流动图形或拍摄流谱照片的低速风洞。发烟器梳状导管实验段21烟风洞绕流流谱照片22 烟丝法烟丝法 基本原理和装置：基本原理和装置：在涂油的细金属丝上通过电流而释放烟雾微粒来显示绕流流动图谱。发烟电阻丝：发烟电阻丝：铂丝、钨丝或镍铬丝，0.1mm直径 油的选择：油的选择：发烟白、浓密、无毒、无腐蚀性，粘度较大，如甘油或石蜡油，在电阻丝上会结成许多小的油珠 电源：电源：连续或脉冲式 发烟控制装置：发烟控制装置：控制发烟时刻、时间及浓度 闪光摄影装置：闪光摄影装置：高亮度的闪光灯、激光片光源，照相或高速摄影23Smoke wire flow visualization of flow over an inflatable Eppler 398 at Re=50,000,alpha=4 242.丝线流动显示丝线流动显示 表面流动显示技术表面流动显示技术：物体表面流动状态（表面流动图谱）丝线法丝线法：将轻而柔软的纤维如羊毛、针织纱线或缝纫线、尼龙丝等按选定的间距与长度粘贴在物体表面或丝线格网上，每根丝线可以指示所在位置的气流方向。丝线粗细与可视性丝线粗细与可视性 可观察性：在一定距离内丝线变化状态能清晰地观察或记录 对气流的干扰，减小丝线惯性影响 25 丝线长度与空间分辨率丝线长度与空间分辨率 空间分辨率要求丝线具有较小的直径和长度 减小丝线刚度影响，丝线应有一定长度，相邻丝线之间的间隔不能过小以避免丝线纠缠在一起 适用于大尺度特征的流动显示 丝线形态与流动特征丝线形态与流动特征 附体流：附体流：物面丝线保持相对静止状态，并顺着当地气流方向 分离流：分离流：物面丝线呈现急剧抖动现象 旋涡流：旋涡流：跟随旋涡转动方向旋转 照明光源：照明光源：高亮度的白光碘钨灯2627283.荧光微丝法荧光微丝法Flourescent minitufts on aircraft wing 采用直径为0.01 0.02mm的合成纤维丝，经柔化和抗静电处理，使微丝染上荧光物质，粘贴于模型表面。光源：采用连续紫外光源照相：选用合适的滤光片295.4 流动显示的光学方法流动显示的光学方法1.1.适用范围适用范围光学显示方法光学显示方法：利用流场的光学性质，如流体的密度变化会造成光学折射率或传播速度的变化，通过适当的光学装置可以显示流体的流动特性。流场的温度、压力、浓度和马赫数等状态参数与密度有确定的函数关系，而流体的光学折射率是其密度的函数，因此下列流动可以采用光学流动显示的方法：可压缩流动可压缩流动：大多数发生在高速气流中，密度变化最显著的是激波 对流传热对流传热：由于流体温度变化而导致密度变化 混合混合：不同密度的两种或多种流体的混合30 燃烧燃烧：包括高温差、几种组分的混合及压缩性 等离子体流动等离子体流动 分层流分层流：未受扰动的流体呈现出沿分层密度分布，在这种流动中的任何运动或流动都会改变这种分布 流动双折射流动双折射：仅在这种情况下，折射率的变化与密度无关，而是由变为双折射的流体引起，这种双折射的产生取决于内部剪切作用的局部分布312.基本光学原理基本光学原理 光在不同介质中的传播速度是不同的，与介质的折射率n有关。对于一定的介质，其折射率是介质密度的函数，即 对气体而言，有其中 为参考密度，即标准状态（0 C，760mmHg）的密度，为一与介质有关的常数，对光的波长并不敏感32 因此，在一密度不均匀的介质中，如在有密度变化的流场中，各个部分的折射率是不同的。光线通过流场一般会发生两种效应：光线传播方向发生偏折 不同的光线之间有一个相对的相位偏移 相应的光学显示方法可分为：阴影法阴影法根据光线在投影面上的线偏移来确定折折射率二阶导数变化射率二阶导数变化纹影法纹影法根据光线的偏折角来确定折射率的一阶一阶导数变化导数变化干涉法干涉法根据光线相位变化来确定折射率确定折射率333.阴影法阴影法 阴影法阴影法是最简单的一种光学流场显示技术，平行光束通过流场实验段再直接投影到显示屏幕上（阴影图阴影图）。屏幕上光线的亮度与气流密度变化有直接的关系。点光源透镜流场显示屏幕阴影仪光路图34 均匀密度：各点光线的折射率相同，平行光束透过流场后仍然保持平行。密度梯度为常数，即二阶导数为零：光线的偏转角正比于密度梯度，偏转角为常数，屏幕上的亮度不会改变。密度的二阶导数不为零：屏幕上亮度的变化正比于密度的二阶导数，当 即时，光线的偏转有发散的趋势发散的趋势（形成暗区暗区）；反之有聚拢的趋势聚拢的趋势（形成亮区亮区）。35暗 亮平行光线流动阴影仪原理图屏幕激波区域x364.纹影法纹影法 纹影图纹影图表征流场中密度梯度的变化，灵敏度比阴影仪高一个量级。线光源透镜流场显示屏幕纹影仪光路图刀口光阑纹影透镜37刀口光阑未扰动的光源像扰动后的光源像刀口光阑与光源像刀口光阑的作用：刀口光阑的作用：切割光源像，把光线受流场的扰动转变为记录屏幕上的光强分布。密度均匀密度均匀：刀口切割光源像使屏幕图像均匀变暗（光源减少了一部分）密度梯度密度梯度：光线发生偏折，屏幕上的亮度变化反映了流场中的密度梯度变化38激波风洞流场纹影图（刀口方向：水平）39激波风洞流场纹影图（刀口方向：垂直）404.干涉法干涉法 Mach-Zehnder干涉仪干涉仪屏幕补偿片全反镜风洞实验段分光镜单色点光源41干涉条纹密度均匀密度均匀：干涉条纹彼此平行密度不均匀密度不均匀：干涉条纹发生移动或变形，干涉条纹的改变与流体密度的变化有关425.5 流动显示技术的新发展流动显示技术的新发展定量的流动定量的流动显示和测量技术显示和测量技术1.激光诱导荧光（激光诱导荧光（LIF）技术）技术 激光诱导荧光技术：激光诱导荧光技术：是一种20世纪80年代发展起来的光致发光流动显示与测量技术，把某些物质（如碘、钠或荧光染料等）溶解或混合于流体中，这些物质的分子在特定波长的激光照射下能激发荧光。选择合适的具有激光诱导荧光特性的物质与特定波长的激光光源相匹配。分子或原子：分子或原子：氢氧根（OH），碳氢根（CH），二氧化氮（NO2），氧分子（O2），氧原子（O），丁二酮分子，碘分子（I2），一氧化碳（CO）等43 液体：荧光染料（如罗丹明，液体：荧光染料（如罗丹明，Rhodamine）激光器：氩离子激光器激光器：氩离子激光器碘分子碘分子 氟化氩激光器氟化氩激光器氧分子，氧原子，氧分子，氧原子，CH，CO 激光诱导荧光技术不仅可以显示流动结构（目前已经发展得相当成熟），而且可以定量地测量浓度（处在应用阶段）、速度等（仍处在研究阶段）。平面激光诱导荧光流动显示（平面激光诱导荧光流动显示（PLIF）：）：用脉冲或连续激光片光源，利用激发出的荧光显示流场断面内的流动结构。PLIF流动显示可以清晰地显示瞬时、内部流场显示。44New&Soria,European Journal of Mechanics(2004)PLIF流动显示的应用横射流的流动结构45横流冲击射流的PLIF流动显示（上海大学流体力学实验室）CrossflowJetBottom wall横流冲击射流的流动结构46LIF浓度场测量技术简介：浓度场测量技术简介：激光荧光染料，如罗丹明B、罗丹明6G、荧光素钠等物质的水溶解液，在氩离子激光照射下，受激发出荧光，荧光的光强主要受入射光光强和荧光物质浓度的影响。在低浓度时，荧光光强与浓度成线性关系 荧光光强浓度特性校正曲线：不同浓度、激光器功率下，荧光光强的实测校正曲线 浓度场荧光光强场47Smith&Mungal,Journal of Fluid Mechanics(1998)LIF浓度场测量应用横射流482.PIV（粒子图像速度场仪）（粒子图像速度场仪）PIV是近年来迅速发展起来的一种非接触、瞬时、动态、全场的速度场测量技术，是流动显示技术的一种发展。PIV能同时在数千个测量点上对速度矢量场进行测量，其精度可以和LDA、热线风速仪相媲美，是目前应用非常广泛且很有潜力的流体力学全场测量技术。目前PIV测量达到的水平已可在一个切面上测得3500-14400瞬时速度向量，其精度约为0.5%1.5%。49（1）PIV的基本原理 在流场中添加示踪粒子，并用脉冲激光片光源入射到所测流场区域，通过连续两次或多次曝光记录粒子图像，由已知时间间隔，采用数字图像处理技术获得粒子位移，即可得到粒子在各点的二维速度分布。测量流场中一个面（激光片光源照亮平面内）内的速度场(二维或 三维速度)。利用激光成像技术瞬时测量流场中多点的速度值。50 xy（X1，Y1）（X2，Y2）在已知时间间隔 内，示踪粒子的速度为：PIV测速原理图.51（2）PIV测量系统组成粒子添加系统粒子添加系统：示踪粒子应满足的条件为在流体中均匀分布、对流体的跟随性好、具有良好的光散射性、不改变被测量流体的特性，一般示踪粒子密度与流体接近，悬浮在流体中，粒子运动可以代表流体运动。选用示踪粒子时的主要问题是要控制粒子的大小和密度，同时还要降低粒子成本。52流场照明系统：流场照明系统：要保证激光片光源光强可以使示踪粒子能被清晰要保证激光片光源光强可以使示踪粒子能被清晰拍摄记录拍摄记录。一般片光源厚度小于3mm以保证只记录一层片光内运动的粒子。当测量流体表面流速的时候，有时可以采用自然光照进行实验；对流体内部二维流场测量时，则要采用激光光源激光光源，用适当的光学元件（柱面镜柱面镜+球面镜球面镜，柱面镜使光束在某方向发散，球面镜则用于控制片光的厚度）把激光光束转变为片光源。两个脉冲片光源之间两个脉冲片光源之间的时间间隔可以调节的时间间隔可以调节，具体设置应基于被测量速度来选择。光学通路要求片光源和照相机之间相光学通路要求片光源和照相机之间相互垂直互垂直。53柱透镜球透镜光腰光腰紧凑透镜组合设计采用柱透镜和球透镜的组合提供片光源厚度和扩展角度的控制54 图像采集系统图像采集系统：早期的图像采集是用照相机将粒子图像记录在底片上，然后读入计算机进行分析处理。近年来，大多用CCD读取粒子图像，以数字图像数字图像传输和存储在计算机中，然后通过计算机图像处理系统计算机图像处理系统进行计算和显示分析。图像处理系统图像处理系统：20世纪80年代PIV技术采用光学分析法，以杨氏干涉条纹得到粒子的平均位移，进而得到速度场。90年代以后随计算机图像处理技术的发展，数字分析法数字分析法逐渐取代了光学分析法。55PIV系统系统示意图图像卡同步器56激光片光源57PIV系统光路布置58（3）PIV图像处理技术简介 PIV的原理虽然简单，但其本质是一种粒子图像分析技术，从获得的粒子图像中提取速度信息的方法在PIV测量技术中起至关重要的作用。正确匹配粒子图像对是分析处理正确匹配粒子图像对是分析处理PIV图像时的主要图像时的主要问题之一。问题之一。如果标示物比较大，可以使用粒子跟踪技术，利用数字滤波技术增强图像的边缘后确定中心；如果图像中包含大量小粒子，则要使用自相关或者互相关的统计技术。由于图像相关的计算量较大，一般需要采用FFT相关计算等高效算法以减小计算量和提高计算速度。59自相关自相关：传统的PIV处理技术，将两次曝光的粒子图像成像在一张底片上，其缺点是速度方向不能自动判别，存在速度方向的二义性问题，且自相关方法的测量范围很小。互相关互相关：则是将两次曝光的粒子图像成像在两张底片，然后进行相关计算。互相关的优点是可以自动判别速度方向，测量范围也比自相关的测量范围大。60互相关分析中的粒子图像第1帧第2帧61(4)PIV的应用及发展 PIV可以应用于各种非定常的流场测量，目前二维（标准）PIV测速技术已处于商业应用阶段。PIV的空间分辨率高，随着DPIV技术的发展，CCD分辨率和帧速的提高，其时间序列的粒子图像可达几百帧/秒。PIV的发展：两相PIV测速技术：同时得到两相的速度分布 三维PIV测速技术：采用立体摄影（双CCD）62横射流的PIV测量63Sloshing flow64v背景消除_=带背景的粒子图像背景粒子图像