初识流动显示技术

初识流动显示技术初识流动显示技术 一、定义及研究意义一、定义及研究意义 在我们学习的流体力学问题中，所接触到的流体介质往往是纯色的，而 且大多数是无色、透明、不会发光的物质，比如：水、空气等，人类无法通 过肉眼来直接观察它们的运动状态。而在流体力学中，我们知道流线是一个 非常重要的研究对象。为了能够更好的观察到流体的运动状态，尤其是流体 绕过静止或者振动物体时的运动状态，就需要采用一些有效的方式来使得流 体的运动成为可见，这种显示技术就叫做流动显示技术。 流体力学这门学科是与我们的日常生活息息相关的，在气象学分析、水 利建设、内河航道及港口建设、轨道交通和航空航天等领域，都需要利用流 动显示技术参与研究。推动这一技术前进一大步比较有名的例子是 Ludwig Prandtl 在 1904 年进行的水洞实验。他设计并利用水洞通过流动显示技术来 研究在非定常流中机翼及其他物体其后流体的分离运动。 传统的流动显示技术传统的显示技术按照性质可分为：壁面示踪法、羽 丝法、直接注入法、化学反应法、电控制法和光学法，这些方法适用于不同 的速度范围和不同的流体介质。近些年由于相机技术、激光技术、计算机技 术及图像后处理技术等巨大的进步，促进了新一代的流动显示技术的出现和 发展，其中粒子图像测速技术、激光诱发巧光技术和层析技术为代表。它们 同时能够对流体进行定性显示和定量测量，促进了对复杂流动的研究分析。 在国防武器研究中， 流动显示技术应用广泛。 在军用飞机的设计过程中， 设计人员往往需要观察飞行器周围气体的流动形态和规律，我们可以在风洞 中利用直接注入法法将飞机蒙皮表面的流场显示出来。 而与我们熟悉的许多自然现象也可以用流体力学的知识分析。 大家都知道高尔夫 球的表面不是光滑的，而是有许多小坑。 这就是研究人员利用流动显示技术发现 了球体绕流的湍流转捩及分离流现象，为了使高尔夫球飞得更远，研究人员在其 表面添加了一些小坑，使湍流边界层不易发生流动分离现象，减小了飞行阻力。 二、基本原理二、基本原理 1.PIV1.PIV 技术的基本原理技术的基本原理 PIV 法是在流场中布撒示踪粒子，使用脉冲激光片光源照亮所测流场区域， 通过连续两次或多次曝光，粒子的图像被记录在底片或 CCD 相机， 采用光学杨氏 条纹法、自相关法或互相关法，处理 PIV 底片或 CCD 记录的图像，计算出流场中 各点的流速矢量， 并计算出其他运动参量( 包括流场速度矢量图、 速度分量 图、 流线图等) 。 本质上 PIV 法是基于欧拉法，将每个时间点的不同示踪粒 子的速度适量测量出来代表粒子所在位置的速度，从而会绘制出局部流场的流 线。 2.PTV2.PTV 技术的基本原理技术的基本原理 PTV 即粒子追踪测速技术，是通过追踪单一粒子的轨迹从而计算其速度，属 于拉格朗日法。 粒子追踪测速可通过两种方式实现: ①分析顺序采集的、曝光时 间较短的多帧图像数据，匹配同一物理粒子计算其位移(速度)； ②计算较长曝光 时间下的粒子光学轨迹长度。尽管后者成本低、实时性强、操作简便，但其精度 和处理复杂流动的能力尚未得到认可，目前研究实践中前者仍占绝对主流。PTV 技术流程主要分为两部：数据采集、数据处理。①数据采集：PTV 测速的硬件系 统由流体通道、示踪剂或分散相注入设备、光源、图像采集设备、通信设备等构 成，其中光源和图像采集设备是核心。光源主要以激光为主，并且常安装透镜、 滤镜和反射镜等，以满足对光源波长、方位和形状等方面的要求。图像采集设备 主要是 CCD 和 CMOS 型的各种数字相机，近年为满足高速流动测试的要求，帧率 较高的高速数字照相机的应用不断增加。 ②数据处理： 数据处理主要分为前处理、 粒子匹配和流场计算三部。 前处理主要进行对图像离散噪声的去除和粒子特征信 息的提取，为第二部粒子匹配做好铺垫，而粒子的匹配是数据处理效果的关键。 由于 PTV 是基于拉格朗日法的技术， 所以在连续的图形中准确地追踪同一粒子很 关键。容易理解的是，特征信息越多越能准确追踪到同一粒子，但是这样计算量 就很大。现在主要利用位置信息尽相匹配，方法主要有以下三种：相关类算法、 基于临近运动的经验算法和整场优化算法。 前两类算法主要关注局部区域的粒子 匹配，第三类算法针对整个测试流场定义了一个与全部粒子匹配相关的目标函 数。③流场计算：尽管现在发展出了许多匹配度很高的算法，但是难免会有因匹 配偏差而产生的错误速度矢量，即伪矢量，流场计算就是为了去除这些伪矢量。 伪矢量的辨别通常基于平均值及中值滤波的原则，但是在分散相条件下难以计 算。对此，研究人员提出了许多解决方法。其中西安交通大学的王元课题组提出 了双向计算法则，有效的降低了伪矢量的比率。此外，连续流场及导出量的计算 也是流场计算的重要方向，当通过示踪剂测量流场时， 往往需要根据已知点的 速度推算未知节点的速度及导出量，我们通常对此进行插值计算。Library 和 Young 等提出了一种针对三维 PTV 数据的插值方法，包括粒子的速度向量估计、 子区域的近似函数确定、流场及导出量计算等三个步骤，其核心是在有限元方法 的框架下，得到符合物理和数学约束条件的速度函数。 3.3.光学流动显示光学流动显示 光学显示法主要包括纹影法、 阴影法和干涉法，是通过记录穿过测试段光束 的信息来反映所测量流场。由于流体在流动或传热传质过程中，流场中存在密度 梯度，从而引起流场折射率分布不均匀，继而导致通过流场的光束受到扰动。一 般会出现两种现象：①光束偏离原来方向； ②受扰动的光波相位与未受扰动的光 波相位比较发生变化。 阴影法和纹影法是根据光束通过一个存在密度梯度的流场 时发生偏转来确定折射率的分布，主要用于流场的定性显示和分析。在此以阴影 法为例进行说明。 光束在穿过测试段时会发生偏转，因而在观察屏幕上显示的光 强就发生了变化，光强发生的变化即光强对比度R c 由下面公式计算：①若流场 2n 折射率在 y 方向上变化时，R c  Z sc  2 dz，若流场折射率在 x 方向上变化时 Ly 2n Rc  Z sc  2 dz；②若流场折射率在 x,y 方向都有变化时，用坐标变换法求得 Lx 对比度R c 与折射率n的二阶导数之间的关系。 其中Z sc 为测试段至屏幕间的距离。 阴影法是利用光线通过流场扰动区产生线位移得到图像的对比度来显示折射率 分布的。一般来说，阴影法对于气流密度二阶导数的变化量敏感。 三、技术应用及其发展三、技术应用及其发展 目前流动显示技术在诸多领域得到了广泛的应用。 其中，在多相流的检测 中，流动显示技术起到了很大作用。在两相流测量中，由于相间存在界面效应和 相对速度，相间界面随机可变，并且分相流量比与分相占流动截面比不断变化， 流动特性复杂， 参数检测难度大。粒子动态分析仪可以同时给出粒子的速度和粒 子直径的大小，但是只能给出流场中单点信息，得不到瞬时全场的定量信息。在 单向流全场瞬时定量测量领域已经取得重大突破的 PIV 技术在两相流同样得到 广泛应用。但是由于受到测量粒子直径能力的制约，PIV 法选择气相示踪粒子有 些困难。 现在的研究人员主要通过增设光学设备和发展