Micro-PIV技术——-粒子图像测速技术的新进展

Micro-PIV是近年来发展起来的一种微尺度流动测速技术.它是传统PIV测量与光学显微技 术相结合的一种整场、瞬态、定量测量方法, 其基本测速原理与传统PIV相同, 但在示踪粒 子选择、图像获取和处理等方面两者存在较大差别.Micro-PIV突破了传统微尺度流体力学 测量手段的局限性, 使得对微尺度流动元件的研究从过去只能给出流量、阻力特性等有限信 息逐步转向对全流场内流结构的直接测量上, 并且达到了相当高的分辨率和测量精度.本文 对近几年Micro-PIV技术发展状况进行了总结和分析, 论述了Micro-PIV技术与传统PIV的 主要区别以及具体的处理技术, 反映了其在科学与工程中的应用,并对此项技术的发展作了展 望.     

粒子图像测速技术研究进展

粒子图像测速技术(PIV)作为一种全新的无扰、瞬态、全场速度测量方法,在流体力学及 空气动力学研究领域具有极高的学术意义和实用价值.本文对PIV技术的原理、分类作了简 要地介绍,详细归纳和评述了现有的各种速度信息的提取方法,并对拓扑图论、神经网络、 遗传算法、模糊聚类等新技术在PIV中的应用以及三维PIV技术、两相流PIV测试技术进行 了介绍.指出当前PIV技术除了向三维和多相流方向发展外,如何提高PIV的测量精度以及 缩短计算时间仍然是目前研究的主要目标.PIV技术随着计算机技术、激光技术和CCD性 能的发展,必将取得更大的发展与突破     

圆柱周围湍流和含沙多相流的SPH数值模拟

湍流和多相流是流体力学中最具挑战性的两个主题，湍流多相流的实验和数值模拟更是一项艰巨的挑战。此外，对颗粒干沉积方面的多相流、多尺度、多物理耦合特征的风沙流的综合实地观测仍然很少。因此，本文综合考虑湍流、多相流与多物理耦合等方面，采用以圆柱为干扰物产生对流涡流的强制干扰技术，以塔克拉玛干沙漠地带中和田至若羌铁路的过沙桥桥墩为研究背景。为摆脱有限元软件中由网格大变形或失真引起的各种问题，采用SPH方法的宏观界面追踪和微观单点追踪相结合的方式，初步揭示了以单相对流涡流为风场背景的含沙多相流环境下的圆柱周围复杂的流场变化以及对颗粒干沉积运动的影响。采用数值模拟与现场实验相结合的方式，着重对计算域边界壁面和圆柱壁面对空气单相流中对流涡流的成形运动及其特征分析、两相流中对流涡流在圆柱周围的夹沙运动模拟及其特性分析、两相流中对流涡流的夹沙率以及边界壁湍流对沙粒干沉积效率展开分析研究。     

中美(国际)多相流动学术会议(1987年8月,杭州)征文

为促进中国、美国及其他国家和地区多相流动研究的学术交流,在中国力学学会的支持下,由浙江大学负责于1987年8月3—5日在杭州召开中美(国际)多相流动学术会议。现开始国内征文。征文范围为流化床,燃烧,浆体流动,气力输送,分离系统及气体净化技术,实验方法及测量技术,以及粉尘流动七个方面在理论、实验、数值模拟和工程应用等所     

一种基于黎曼解处理大密度比多相流SPH的改进算法

多相流界面存在密度、黏性等物理场间断,直接采用传统光滑粒子水动力学(smoothedparticle hydrodynamics,SPH)方法进行数值模拟,界面附近的压力和速度存在震荡.一套基于黎曼解能够处理大密度比的多相流SPH计算模型被提出,该模型利用黎曼解在处理接触间断问题方面的优势,将黎曼解引入到SPH多相流计算模型中,为了能够准确求解多相流体物理黏性、减小黎曼耗散,对黎曼形式的SPH动量方程进行了改进,又将Adami固壁边界与黎曼单侧问题相结合来施加多相流SPH固壁边界,同时模型中考虑了表面张力对小尺度异相界面的影响,该模型没有添加任何人工黏性、人工耗散和非物理人工处理技术,能够反应多相流真实物理黏性和物理演变状态.采用该模型首先对三种不同粒子间距离散下方形液滴震荡问题进行了数值模拟,验证了该模型在处理异相界面的正确性和模型本身的收敛性;后又通过对Rayleigh--Taylor不稳定、单气泡上浮、双气泡上浮问题进行了模拟计算,结果与文献对比吻合度高,异相界面捕捉清晰,结果表明,本文改进的多相流SPH模型能够稳定、有效的模拟大密度比和黏性比的多相流问题.      

多相流动的光滑粒子流体动力学方法研究综述

光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)具有粒子方法的无网格和全拉格朗日特征, 适用于具有界面大变形、不连续性和多物理场的多相流的高精度模拟. SPH方法模拟多相流已有大量报道, 具体的实现方式也大不相同. 本文首先阐述了采用SPH方法模拟流体的基本控制方程, 以及求解过程中需要考虑的流体压力求解、表面张力、固体边界等问题. 整理和总结了基于SPH方法进行多相流模拟的主要实现方式: (1)双流体模型的拉格朗日求解器: 两相离散为两组独立SPH粒子, 并用显式相间作用耦合两相; (2)多相SPH方法: SPH方法对多相流模拟的自然延伸, 相间作用由SPH参数隐式描述; (3) SPH与其他离散方法的耦合: 差异较大的两相各自采用不同离散方法, 发挥不同拉格朗日方法的优点; (4) SPH和基于网格方法的耦合: 网格方法处理简单的单相流动主体, 获得精度和效率间的平衡. 另外, 还在模拟参数物理化等方面论述了与SPH方法模拟多相流相关的一些改进和修正方法, 并在最后讨论和建议了提高多相流SPH模拟效率和精度的措施.      

多相流体动力学的应用与发展

多相流体动力学是一门研究多相系统流动规律的新兴力学分支。虽然两相流动原理的应用一直可追溯到公元前Archimedes的蒸汽炮,但是它作为一门新兴学科,主要是在近三十年内发展建立起来的。目前,一些先进工业国对多相流动的研究已进入深入(微观、瞬态)、全面(课题多样化)的阶段。有关多相流研究的各种文献已近万篇,仅两相流测试方面的各种报告就达数千篇,有 ...     

基于光流算法的粒子图像测速技术研究和验证

光流测量技术作为一种新的空气动力学实验技术,以其像素级分辨率的矢量场测量优势获得广泛的应用。光流测量技术使用光流约束方程,配合平滑限定条件,可以进行速度场测量,获得高分辨率的全局矢量场。本文首先通过研究积分最小化光流测速理论和算法,采用C++编写光流速度测量程序;然后通过三种典型的人工位移图像对光流计算程序进行了验证,并将结果和标准位移分布进行比对分析,以指导如何在实际应用中获得高精度光流速度场;最后进行小型风洞后向台阶实验,利用高速相机拍摄示踪粒子图像,使用光流计算程序获得速度矢量场,同采用互相关算法的粒子图像测速计算结果相比较,体现出光流计算方法像素级分辨率的矢量场测量优势。     

微机化的纵横波螺栓轴向应力检测仪研制

介绍了一种既可测安装过程中的螺栓应力又可测已紧固螺栓轴向应力的一种仪器 ,该仪器是以单片机和计算机为核心 ,用超声纵横波声时进行在线检测 ;利用超声波沿轴向传播的波速同轴向应力以及三阶弹性常数的关系导出了应力同纵横波声时比值及温度的关系 ,考虑了受应力作用时温度对声速的影响 ,简化了测量及计算过程 .仪器采用了声时、声幅衰减及数字处理技术联合排除偶合错误及噪声干扰等方法 ,增加了仪器的稳定性 ;仪器采用了高精度测声时方法 ,提高了应力测量精度 ;计算机提供了数字及图形显示并提供了数据查询及图形还原等功能 ,极大地方便了用户操作及管理 .实验结果表明应力低于 2 5 0MPa ,夹紧距离大于 30mm时 ,应力超声测量的绝对误差小于± 8MPa .     

关于二相流、多相流、多流体模型和非牛顿流等概念的探讨

本文分析了单相流、二相流和多相流等概念上的差异，也分析了单流体模型、双流体模型和多流体模型等概念上的差异，指出前面三种概念是按流动介质的客观物理构成划分的，而后者是按主观采用的研究方法划分的．目前这些概念在使用中存在一些混乱，如二相流与多相流，多相流与多流体模型等．本文还研究了扩散模型、非牛顿流模型和颗粒流模型等，指出前两种模型在分类上属于单流体模型，分析了非牛顿流模型、扩散模型和双（多）流体模型的特点和应用范围，最后，以泥石流为例讨论了以上概念的应用．     

数字全息粒子图像测速技术(DHPIV)研究进展

全息粒子图像测速技术(DHPIV)是当前非常具有发展潜力的非定常三维流场测量技 术,是一种具有点空间分辨力的三维空间三维速度场和时间历程的实验观 测方法和技术. 本文介绍了该项技术(数字全息DH和粒子图像测速PIV) 的发展背景和近20年来的研究进展,并介绍了已测得的非定常复杂流动的初步结果. 详 细论述了DHPIV技术所面临的关键性问题和应用基础问题以及相应的进展:粒子空间场的重建与再现的空间分辨 率问题、粒子定位或位移精度问题、信噪比和数字再现的光学与快速算法以及测量空间的扩 展等问题.同时讨论了数字离轴全息等有关技术的潜力, 介绍了进一步的研究发展方向.     

近海水域海洋流体动力学方程的数值模拟

近海水域海洋流体动力学方程数值模拟的研究,最早可追溯到1919年Defant的工作,50年代末开始得到蓬勃发展。60年代和70年代主要发展二维全流模式。现在对于二维全流模式数值模拟的研究应该说是相当完善的,不仅有系统的理论,提出了许多有效的方法,而且广泛地应用于诸如潮汐环流、风暴潮等的工程和预报的实际计算。三维模式是70年代开始发展的,近10年来发展很快。三维模式比较起二维模式来,其数值模拟自然要困难许多。这引起了研究者广泛的兴趣。现在三维模式的数值模拟,虽然提出的方法很多,也已有了不少成果,但研究工作仍是方兴未艾。     

A robust multi‐grid pressure‐based algorithm for multi‐fluid flow at all speeds

This paper reports on the implementation and testing, within a full non‐linear multi‐grid environment, of a new pressure‐based algorithm for the prediction of multi‐fluid flow at all speeds. The algorithm is part of the mass conservation‐based algorithms (MCBA) group in which the pressure correction equation is derived from overall mass conservation. The performance of the new method is assessed by solving a series of two‐dimensional two‐fluid flow test problems varying from turbulent low Mach number to supersonic flows, and from very low to high fluid density ratios. Solutions are generated for several grid sizes using the single grid (SG), the prolongation grid (PG), and the full non‐linear multi‐grid (FMG) methods. The main outcomes of this study are: (i) a clear demonstration of the ability of the FMG method to tackle the added non‐linearity of multi‐fluid flows, which is manifested through the performance jump observed when using the non‐linear multi‐grid approach as compared to the SG and PG methods; (ii) the extension of the FMG method to predict turbulent multi‐fluid flows at all speeds. The convergence history plots and CPU‐times presented indicate that the FMG method is far more efficient than the PG method and accelerates the convergence rate over the SG method, for the problems solved and the grids used, by a factor reaching a value as high as 15. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

A kernel gradient free (KGF) SPH method

The finite particle method (FPM) is a modified SPH method with high order accuracy while retaining the advantages of SPH in modeling problems with free surfaces, moving interfaces, and large deformations. In both SPH and FPM, kernel gradient is necessary in kernel and particle approximation of a field function and its derivatives. In this paper, a new FPM is presented, which only involves kernel function itself in kernel and particle approximation. The kernel gradient is not necessary in the whole computation, and this approach is thus referred to as a kernel gradient free (KGF) SPH method. This is helpful when a kernel function is not differentiable or the resultant kernel gradient is not sufficiently smooth, and thus it is more general in selecting a kernel function. Moreover, different from the original FPM with an asymmetric corrective matrix, in the new FPM, the resultant corrective matrix is symmetric, and this is advantageous in particle approximations. A series of numerical examples have been conducted to show the efficiencies of KGF‐SPH including one‐dimensional mathematical tests of polynomial functions with equal or variable smoothing length and two‐dimensional incompressible fluid flow of shear cavity. It is found that KGF‐SPH is comparable with FPM in accuracy and is flexible as SPH. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

Multiphase flow in microfluidic devices

微流控技术及微流控器件是近年来发展迅速的多学科交叉研究领域.相比于传统方法, 微流控技术能够实现对微量多相流体的精准操控, 可应用于化学分析、先进材料合成、蛋白质结晶、单细胞培育及检测、信息处理等领域. 该文回顾微流控器件中的多相流动现象, 概述其所涉及的流体力学机理,阐述实现多相微流控的各种方法, 并分析多相微流控技术的应用现状及面临的挑战, 最后总结针对多相微流动问题的数值模拟方法和实验测量技术, 展望多相微流控器件的研究方向及应用前景.     

多普勒全场测速技术的进展

多普勒全场测速(Doppler global velocimetry)是一种基于分子滤波原理来测量散射光多普勒频移, 从而测量平面内流动速度 场的技术, 主要应用于流体力学、空气动力学和燃烧学实验研究中, 尤其适用于较高马赫数 流场测量. 研究人员也称其为平面多普勒测速(planar Doppler velocimetry)、吸收-滤波平面多普勒测速(Absorption filtered planar Doppler velocimetry), 滤波瑞利散射技术(filtered Rayleigh scattering)等. 本文对多普勒全场测速技术的工作原理、结构组成、数据处理、发展趋势 等进行了比较全面的介绍.     

光滑粒子动力学方法的发展与应用

光滑粒子动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)是一种拉格朗日型无网格粒子方法,已经成功地应用到了工程和科学的众多领域.SPH使用粒子离散及代表所模拟的介质,并且基于粒子体系估算和近似介质运动的控制方程.本文分析和综述了SPH模拟方法的发展历程、数值方法与应用进展.介绍了SPH方...     

物理增强的流场深度学习建模与模拟方法

流体运动理论上可用Navier?Stokes方程描述, 但由于对流项带来的非线性, 仅在少数情况可求得方程解析解. 对于复杂工程流动问题, 数值模拟难以高效精准计算高雷诺数流场, 实验或现场测量难以获得流场丰富细节. 近年来, 人工智能技术快速发展, 深度学习等数据驱动技术可利用灵活网络结构, 借助高效优化算法, 获得对高维、非线性问题的强大逼近能力, 为研究流体力学计算方法带来新机遇. 有别于传统图像识别、自然语言处理等典型人工智能任务, 深度学习模型预测的流场需满足流体物理规律, 如Navier?Stokes方程、典型能谱等. 近期, 物理增强的流场深度学习建模与模拟方法快速发展, 正逐渐成为流体力学全新研究范式: 根据流体物理规律选取网络输入特征或设计网络架构的方法称为物理启发的深度学习方法, 直接将流体物理规律显式融入网络损失函数或网络架构的方法称为物理融合的深度学习方法. 研究内容涵盖流体力学降阶模型、流动控制方程求解领域.