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。     

基于互相关的光流测速法在湍流热对流中的应用

同时准确地测量大尺度流动结构和小尺度湍流统计特性对于理解湍流的能量传递规律有着重要意义。尽管粒子成像测速（PIV）技术得到了广泛的应用，但由于算法原理的要求以及商用相机分辨率的限制，PIV技术在同时获取大、小尺度流动特性方面并不实用。另一方面，近年来逐渐引起关注的光流测速法虽然可以实现单像素分辨率的大区域速度场测量，但其准确性通常受限于应用场景而难以保证。本文采用一种基于互相关的光流测速法来分析RayleighBénard对流的粒子图像，进而同时获得全局速度场和小尺度湍流特性。结果表明，这种方法不仅可以获得与PIV技术一致的全局场和流动强度，还能有效地解析出湍流耗散区的速度结构函数。进一步的，分别基于速度结构函数和定义直接计算而获得的能量耗散率不仅在数值大小上互相吻合，还与直接数值模拟的结果以及理论预测相一致。这些结果表明基于互相关的光流测速法在同时测量大尺度流动结构和小尺度统计特性上有很好的应用潜力。     

航空涡轮发动机燃烧室内流场的PIV测量

设计了一种基于旋风分离原理的高压粒子发生器,并成功应用于高压状态下的航空涡轮发动机燃烧室内流场的PIV（粒子图像测速法）测量.在氢氧燃烧加热来流温度为813K、燃烧室压力为2.78MPa条件下,应用PIV技术开展了航空涡轮发动机单头部燃烧室复杂内流场测量研究,实现了高温高压条件下强旋流、强扰流、宽速域流场的PIV测量,获得了接近燃烧室工作压力工况下的流场速度和流场精细结构.结果表明:该型燃烧室内流场存在多处旋涡结构,形成回流区;流场旋流作用强,横截面流场存在顺时针大涡;主燃孔射流和掺混孔射流作用明显,射流穿透深度较大,对流场结构影响显著;高温高压状态下,流场结构与常温中压状态类似.      

任意运动变形边界流场测量PIV算法的研究：薄膜涡激振动

提出了一种精确测量任意运动变形边界流场的粒子图像速度场PIV算法,能智能识别强流固耦合问题流场测量中任意运动变形的边界信息,然后生成贴体自适应的图像互相关计算窗口,计算获取运动变形边界附近的速度场数据。这一算法可大大提高任意运动边界附近流场的测量精度,为流固耦合问题的理论分析和数值计算验证提供可靠的高质量实验数据。针对数字合成给定流场的粒子图像序列,采用所发展的PIV算法对粒子图像区域中的运动变形边界进行了精确识别,高质量地复现了原始流场信息。最后,对低速闭式循环水洞中的钝体尾流柔性薄膜涡激振动现象进行了PIV实验测量,获得了柔性薄膜大变形运动状态下的瞬态流场特征。     

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。     

反推装置叶栅外流场PIV测试

针对某型反推力装置缩比模型试验件,应用粒子图像测速（PIV）技术开展了反推力装置叶栅出口外流场结构和测试技 术试验。在不同进口落压比下进行外流场测试,得到了叶栅出口流场速度分布和流动的基本结构。探索了粒子图像测速技术应用于外流场工程环境测试方法,提供了通过专用装置防护和减振的方法在PIV技术对气流冲击、振动、噪声等复杂环境问题的解决途径。试验结果表明：气流从叶栅出口排出后沿叶栅型面方向径直流动,落压比对叶栅出口气流速度及分布影响较大,流场形式受其影响较小,在落压比为1.2时,气流速度达到165 m/s;PIV技术结合防护、减振、远程控制等措施能够成功应用于工程外流场测试,通过试验验证确立了基于PIV技术的叶栅出口外流场测试方法,对该技术在相关工程中应用有很大的借鉴意义。     

螺旋折流板换热器壳程流动特性研究

利用激光粒子图像测速（PIV）技术在有机玻璃模型上对螺旋折流板换热器的壳程流动特性进行了实验研究。结果表明,螺旋折流板换热器管间流体斜向冲刷管束。管间流场中非稳定区的流体由于接近换热器的轴心,受三角区漏流的影响,流速沿轴线方向呈上升趋势,且具有较强的轴向速度。稳定区内的流体流动较为平稳,其切向速度较高,具有明显的旋流特征,是换热效果较好的区域。管间流场的流体具有沿轴线方向波动的径向速度,可以增加流体的扰动,有利于传热。在管束外围,折流板与简体之间的漏流会增加流体的轴向速度,而搭接区的漏流则使得流体的切向速度增加而轴向速度减小。漏流对流体流速的影响会沿着轴线方向不断减小,流体流速趋于稳定。     

跨声速风洞中的超临界翼型速度场测量

针对跨声速风洞实验环境,发展适用于高速流动测量的粒子图像测速(PIV)实验技术,从而实现对超临界翼型的非定常流动进行准确的速度场测量。对跨声速风洞中的PIV测量系统进行了如下改进工作:改进粒子播撒装置;对片光光路布局进行了优化;对模型表面进行了防漫反射处理;提高图像位移场计算精度。使用RAE 2822超临界翼型,在FL-1风洞进行实验,来流马赫数为0.6~0.92,雷诺数为1.86×10~6~2.58×10~6。结果表明,利用PIV测得的速度场能够有效捕捉激波位置,并且与表面平均压力分布一致,通过对PIV数据进行统计分析可得到激波振荡的类型及幅度等特征。     

基于低密度粒子图像叠加的Micro-PIV速度场测量

提出了一种基于低密度粒子图像的微流体粒子图像全场测速技术。经过背景噪声去除、阈值过滤、图像增强等图像预处理过程,获得了高质量的低密度荧光示踪粒子图像。对100对图像进行图像叠加处理,得到了满足互相关算法求解二维速度场的高密度叠加粒子图像。针对宽度为250μm,深60μm的长直微通道开展了覆盖全场不同流体层平面的二维速度测量,并利用多个流体平面的二维速度场实现了微通道内全场速度的构建。研究结果表明：由于图像叠加法去除了像径大但灰度低的背景粒子图像,采用互相关分析能够准确获得分层二维速度场,所构建的全场速度场正确反映了长直微通道内流流场特征。     

阀体后90°圆形弯管内部流场PIV测量及POD分析

利用激光粒子图像测速技术对阀体后90°圆截面弯管的内部流场进行测量,获取了弯管流场在不同来流流速及观测截面上的高分辨率瞬态速度场数据。分析了图像相关计算所获得的瞬态及时均速度场,对流场进行本征正交分解,并进一步分析重构脉动场中的涡结构特性。结果表明：流体流经蝶阀在弯管中形成卡门涡街,涡结构信息包含在本征正交分解低阶模态中,脉动场的模态重构可以还原涡的流动特性。     

内窥式PIV测量技术研究

内窥技术与粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry,PIV)相结合为航空发动机等受限空间内部流场测量提供了可能,本文针对内窥式PIV测量系统中激光内窥镜和相机内窥镜分别进行了详细介绍与探讨,并在现有的PIV基础上自主搭建了一套内窥式PIV测量系统,在解决系统存在的成像圈小、分辨率低、示踪粒子图像不相关、系统标定等难题后获得了较好的测量结果,在对同一稳态流场开展对比性实验研究后发现与常规PIV测量结果相比最大相对误差为1.6%。表明该测量技术具有较高的测量精度可应用于发动机实际工程研制中。     

不同类型防护林绕林流场的PIV测量

利用粒子图像速度场仪(PIV),采用2帧-互相关的分析技术,对紧密型、疏透型和通风型防护林流场的流动特征在环境风洞中进行实验研究.通过PIV系统测量,得到不同类型防护林绕林流场的速度矢量图、流线图和涡量场图,并对各个流场特征进行探讨.     

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.      

高超声速飞行器DPIV内流阻力测量技术研究

为了研究吸气式高超声速飞行器的气动特性,提出一种新的内流阻力测量技术,即采用粒子图像测速技术和总压测量技术相结合,测量超燃发动机尾喷管流场速度矢量和皮托压力分布,间接获得内流出口处平均马赫数和内流出口处静压平均值,从而实现高超声速通气模型内流阻力测量。研究结果表明:粒子图像测速技术和总压测量技术相结合,成功地实现了内流阻力测量;试验获得的粒子图像,能够清楚地显示喷管出口位置内外流的分界面及边界层和边界层的尾迹;粒子图像测速试验获得的速度矢量场结果准确,精度高,能够提供远远超出传统测量技术所能提供的流场信息。      

共轴式双旋翼悬停流场的水洞PIV测量

采用粒子图像测速(PIV)技术,对共轴式双旋翼在悬停状态下的流场进行水洞实验,测量得到旋翼流场的涡量和速度分布,桨尖涡的结构和脱落轨迹等直观整体的图像,研究了共轴式双旋翼悬停流场的气动干扰特性.为了比较,对单旋翼也进行测量.实验结果为直升机的气动计算和合理设计提供了可靠的实验依据.      

竖直平板间湍流自然对流中螺旋羽流结构的实验研究

应用粒子图像测速技术（PIV）对竖直平板间水的温差湍流自然对流的流场进行了测量,并由测量所获得的速度场获取了涡量分布和散度分布。测量结果表明,在流场中的竖直展向截面和水平流向截面上都存在大尺度涡流结构,而且在部分涡量集中区域同时具有正的或者负的散度集中,速度矢量分布也表明水平截面上的这部分涡流结构呈现着清晰的源或汇的特征。这些现象都表明这部分旋转着的流体不但有切向速度,还有径向速度。这意味着这部分流体在旋转的同时也有向上或向下的运动,即同时具有在同方向上的涡量和速度,即螺度,而这是螺旋羽流结构的特征。这些涡结构,尤其是水平流向截面上具有径向速度的涡流结构的存在证实了竖直平板之间的湍流自然对流流场中大尺度的螺旋羽流结构的存在。     

DPIV系统研制及其应用

笔者在北京航空航天大学流体力学研究所多年从事系统的PIV测试技术研究，经过科研攻关成功研制出目前国内第一套完善的实时数字式粒子图像测速(Digital Particle Image Velocimetry）系统，实现了速度场和涡量场的实时测量，而且已经成功地应用于各项流体力学的实验测量中，其中包括：1.5M超声速喷流实验，三角翼前缘涡破裂复杂流场测量实验，大型工程水洞流场校测，绕摆动圆柱卡门涡测量实验以及锥阀管道模型和漩涡分离器内部流场测量实验等^[1-3]。     

关于粒子图像测速仪精度的数值测试

利用数值模拟的方法对粒子图像测速仪的精度问题进行了数值实验。速度场是通过对一个片光源上两次曝光的图像进行互相关处理来得到的。为了研究流体运动的不均匀性对于一个诊断区内速度矢量测量结果的影响，针对五种典型的不均匀性进行讨论。数值实验的结果表明有几种流体运动不均匀性会显著地影响这种粒子图像测速方法的精度。     

基于深度学习的PIV流场图像修复技术

粒子图像测速技术（PIV）是空天动力装置研究中常用的流场测试方法。但对具有复杂流动特征的燃烧室,通过传统互相关算法处理得到的流场结果往往具有一定缺陷。本文将深度学习应用于PIV后处理中,以实现流场数据的异常检测和修复。在甲烷预混对冲火焰数据集上,将异常划分为两种类型,并搭建U-Net卷积神经网络架构。经过训练和优化,模型以较高置信水平识别两类异常并使用不同策略自适应修复,过滤噪声并保留原始正常数据。同时模型具有较好的可迁移性,可以为其它种类的流场数据修复提供参考。与POD迭代法和中值滤波相比,神经网络强大的非线性特征具有明显的优势,这种方法不仅修复率高,而且在不同工况下鲁棒性好。     

贴壁方柱湍流场TR—PIV实验研究

采用时变粒子图像速度场测试技术（TR—PIV），对低速循环水槽中贴壁二维方柱绕流湍流场进行了细致的测量。通过对实验得到的30000个连续瞬态速度场进行分析，得到了时均速度场和流线图谱，以及流向、法向速度分量的脉动强度场和涡量场。此外，对脉动速度时序信号进行谱分析，得到了流场中低频大尺度相干结构脱落频率。通过对瞬态速度场的分析，揭示了贴壁方柱绕流的旋涡脱落及其发展过程。