温度场纹影定量测量技术

为了研究纹影系统的温度场定量测量技术,本文详细阐述了纹影技术的定量测量原理,并通过分析流场纹影图像灰度大小与未被遮挡的光源像面积的关系,提出了一种新颖的流场温度定量测量的计算方法。首先,在光学平台上搭建了透射式纹影系统,将加热平台放置在该系统的测量区域,利用CCD相机将采集到的纹影图像上传到上位机进行图像处理,然后采用该算法计算得到温度场的测量值,并与热电偶的测量值相对比。实验结果表明：在室温20℃时,将加热平台的温度分别设定为50℃和90℃,纹影系统测量得到的温度值相对误差小于10%,证明了该计算方法的可靠性,实现了以纹影技术为基础的温度场定量测量。     

基于纹影法的气体温度场可视化系统的设计

纹影法是介质折射率变化可视化的实用方法.本文基于分束镜等光学器件设计了一种新的折叠式纹影光路,可改善传统光路的低清晰度问题,同时利用光线的正入射消除了重影干扰.利用热风拆焊台出风口热流进行定标实验,获得纹影图像灰度值的差值与温度的函数关系,并利用纹影图像绘制灰度三维图像,实现了气体温度场可视化处理,提供了一种非接触测量气流温度与温度场摄像系统的测量方案.     

激光诱导荧光聚焦纹影系统及超声速燃烧流场应用

纹影是一种常用的流动显示技术,广泛应用于可压缩流动显示及超声速燃烧流场实验.然而,在变Mach数超声速燃烧实验中,燃烧室总温随来流Mach数变化.受准稳态/非定常温度变化影响,光学玻璃窗口的折射率发生显著改变,影响基于密度梯度的纹影成像质量.同时,普通纹影为光程体积沿程积分,难以同二维燃烧场成像信息进行直接比较以开展燃烧与流动耦合研究.聚焦纹影技术可抑制燃烧室内高温引起的玻璃窗口折射率变化,并实现毫米级的急剧聚焦深度,获得二维流场结构,同时配合纳秒级脉宽Nd:YAG激光光源可冻结高超声速流场.在传统聚焦纹影系统基础上发展了激光诱导荧光聚焦纹影系统并应用于变Mach数超声速燃烧实验,创新点在于使用激光诱导荧光染料,以荧光作为光源消除原本激光光源中的相干噪声,同时发展了边缘增强图像处理方法.实验结果表明激光诱导荧光聚焦纹影系统及边缘增强图像处理方法能够有效消除激光光源相干噪声,捕捉二维超声速燃烧流场结构.      

基于纹影法的聚焦超声声场重建算法研究

为了从聚焦超声声场纹影图像直接重建声场声压分布图像,首先根据水中声波与光波的作用规律,利用Zernike相衬技术得到纹影系统中空间声压分布与纹影图像中光强的关系,再通过纹影系统获得聚焦超声声场实时图像,最后根据纹影系统的物理特性经过反投影重建算法重建出凹球壳聚焦超声换能器的空间声压分布。分析可知,理论声焦域横向与声轴大小分别为0.15 mm、1.4 mm,重建声场电功率为12 W时横向最接近为0.25 mm,30 W时声轴最接近为1.35 mm。与球壳换能器的理论声压分布进行对比的结果表明,该方法具有一定可行性,可以用于聚焦超声换能器的声场分布检测。     

纹影成像法与密度可视化

纹影法可以测量气体微小密度的变化,传统纹影方法基于几何光学的折射定律,依赖图像灰度与偏转角之间的定标关系,在实际测量使用中较为局限.对传统方法进行改进,采用傅里叶光学的分析方法,光源取为相干光,观测火焰密度场,在像屏上得到了明暗条纹分布.理论演算表明,像屏上的明暗条纹反映了密度场的相位分布,由此可以推演出密度分布.实验所采用的方法无需借助定标关系,更具有普适性.     

二维全向偏折指示的彩色纹影技术

本文分析了刀口纹影技术显示高速流逝现象如火焰、燃烧、击波和流动等的局限性,并根据色度学颜色混合定律,设计了三色彩环滤波片代替典型纹影系统中的刀口,和用直径1毫米的小孔代替狭缝,获得了扰动场的彩色纹影图象。根据一次摄影得到的纹影象的色度变化可得到扰动场引起的光线偏折量,由此可对高速扰动场的物理特性作出简单可靠的定性评价和一定条件下可作出定量评价。文章通过实验,用直接摄影、刀口纹影、彩条彩色纹影和彩环彩色纹影四种方法,分别对代表稳定扰动场的透明不均匀材料和酒精灯火焰进行拍摄,并作了比较分析,得出彩环彩色纹影可在二维平面内的全向指示偏折量。     

火焰光谱探测器检测用光源设计

 火焰探测器被广泛运用于各种火灾防范系统。文中论述了火焰探测器的应用、产品结构特点以及火焰探测器检测技术。在此基础上提出了一种探测器检测所用光源。该光源由黑体和紫外灯组成,利用黑体温度与峰值波长的对应关系并结合滤光片及光栏的选择,构造人工火焰。达到检测火焰探测器的目的。文章从理论上给出系统光谱辐照度表达式和系统仿真结果,同时也给出了实际测量结果。包括用标准探测器对黑体标定的结果、紫外光源测量结果以及红外谱段内黑体与标准火焰的比对结果。测量结果表明该系统可以满足常规火焰探测器检测的需求。     

MJGS系统设计及应用

采用序列脉冲红宝石激光器作为光源,国产640型纹影仪作为图像及流场显示光学系统、等待型转镜高速摄影机为记录单元的MJGS高速纹影系统,本校已经相继研制了两种型号。Ⅰ型系统用于高速碰撞和穿甲过程研究已经取得必要的结果。Ⅱ型系统用于研究高能炸药起爆机理,拍得了弹丸撞靶前的飞行姿态及撞靶后的压缩变形直至点火爆炸过程的分幅照片,为研究工作提供了依据。     

掺氢对乙醇-空气预混火焰不稳定性的影响

利用定容燃烧弹高速纹影摄像系统所得到的向外传播球形火焰纹影图片,并结合火焰不稳定性理论分析了掺氢对乙醇-空气预混火焰不稳定性的影响规律.结果表明,随着掺氢量的增加,在稀薄混合时火焰不稳定性增加,表现为前锋面的裂纹加剧;而在浓混合时呈现相反的变化趋势.可燃混合物的热扩散不稳定性与综合不稳定性随掺氢量的变化趋势一致;流体力学不稳定性不影响热扩散不稳定性与综合不稳定性的变化趋势,它随掺氢量的变化取决于火焰厚度和热膨胀比的综合变化。     

纹影系统的灵敏度的实验设计与分析

设计了纹影实验装置和采用分析图像亮度差的方法直观描述纹影系统灵敏度,并系统研究纹影系统的刀口位置和刀口厚度对系统灵敏度的影响.实验结果图像亮度差与密度差的对应关系有效的验证了理论上得到的与亮度差对应的图像的光强差与密度差之间的对应关系.     

高动态范围激光焦斑测量数学模型研究

提出了一种高动态范围的激光焦斑测量方法.首先,构建纹影测量远场焦斑数学模型,确定重构需要的参数,并使用准直光路对参数进行标定;其次,运用综合诊断快速自动准直系统使纹影小球遮挡住旁瓣光斑中心,获得准确的旁瓣光斑;最后,改进计算纹影小球中心及图像融合等方面的纹影重构算法,克服了传统纹影重构方法中主瓣旁瓣中心误差大、合并图像拼接边缘台阶明显的缺点.对大型激光装置参数测量综合诊断系统的远场焦斑测量应用表明:通过对纹影测量远场焦斑数学模型中参数的精确标定以及对纹影重构算法的优化,能够实现高动态范围激光焦斑的准确测量.     

纹影技术在直喷式柴油机燃烧过程研究中的应用

本文叙述了作者所设计建立的高速纹影摄影光路系统,给出了利用该系统所拍摄的纹影照片,并通过照片简单分析了柴油机缸内的喷雾和燃烧过程。结果表明,纹影技术是研究发动机缸内空气运动和喷雾燃烧过程的有效手段。     

高速动光弹系统及其应用

高速动光弹仪是动态光弹性研究的有效诊断工具,主要用于记录各种结构在动载荷作用下,不同瞬间的应力条纹图像。研究应力波的传播规律,裂纹扩展过程,固体高速变形等。通常的动光弹仪为多火花式动光弹仪。国外也有采用静态光弹仪与转镜式高速分幅相机结合的系统。我们研究调试的动光弹系统,是在高速纹影系统中加入偏振光场,即静态光弹系统、纹影系统与转镜式高速分幅相机结合。在雷管动载荷作用下,应用高压脉冲氙灯光源,单色圆偏振光亮场,获得了不同光弹模型的清晰应力条纹图像。给出应力波的传播过程和孔附近产生的应力集中现象。该系统具有摄影频率高、曝光时间短、测试灵敏度高、适于强载荷、远距离研究大尺寸光弹模型,同时具有透射式和反射式光学系统等特点。从而为动态光。弹性研究提供了有效的测试技术和诊断系统。     

基于极坐标变换去除计算机层析图像环形伪影

探测器像元响应的不一致、光源能不稳定等因素使得计算机层析(CT)图像中含有较多的环形伪影,严重降低了图像质量,影响了图像的三维重建和量化分析,为此提出了基于极坐标变换与傅里叶变换后低通滤波的算法去除环形伪影。通过极坐标变换将直角坐标下的环形伪影转化为极坐标下的线性伪影,然后对线性伪影图像进行傅里叶变换获得频谱图像,进而设计二维低通滤波器进行滤波处理,最后通过傅里叶逆变换与坐标逆变换获得校正后的图像。利用Matlab软件,编写程序对算法进行验证,结果表明,该算法能够有效地去除环形伪影,使图像内部细节清晰可见,并且保护了图像边缘信息,提高了图像的信噪比;另外,使用该方法处理100张切片图像只需3.5min,可满足批量处理的需求。     

基于背景纹影波前传感技术的气动光学波前重构与校正

背景纹影波前传感(backgroud oriented schlieren based wavefront sensing, BOS-WS) 是利用背景纹影技术测量光学波前二维分布的新型实验手段, 可定量测量光线通过干扰场后产生的光学畸变并给出光程差. 为了利用BOS-WS技术获得光线因气动光学效应产生的畸变信息, 并通过已知畸变信息还原原始图像, 进而探索一种新型的超声速成像制导方法, 本文通过理论分析, 验证了利用背景纹影技术测量光学波前的方法, 探索了利用已知波前信息预测畸变位移场以及利用已知位移场进行波前重构的计算方法. 通过数值模拟比较了一阶梯形积分算法和Southwell方法在波前重构上的误差大小和结果合理性, 并通过误差分析证明了Southwell方法更加精确合理. 通过蜡烛火焰上方流场畸变实验和透镜对波前的扰动实验, 创造性地探索了利用已知光学光程差还原畸变位移场及用其校正畸变图像的方法, 并通过验证性实验证明了校正方法的有效性.     

可视化聚焦纹影系统实现流场中的三维扰动成像

可视化成像系统可以实现流场中扰动信息的捕获。针对光学纹影系统,分别从理论和实验上对比研究了流场中的三维超声扰动成像。因三维超声场在光传播方向上引起的流体介质密度变化不同,光波穿过密度变化的流场时,其相位累积变化使图像不能真实反映声场的扰动特征。线型栅的聚焦纹影系统因其线型栅会产生多刀口滤波的作用,故不能对流场中的三维超声扰动场实现完整成像。为了获得流场中的三维扰动特征,提出了采用环型源栅和刀口栅的改进聚焦纹影系统。结果表明:由改进聚焦纹影装置得到的图像扰动特征与实际流场中超声扰动特征相一致;结合图像重构技术,实现了流场中三维复杂扰动的重构。     

超声速预混可燃气流的点火与燃烧

在激波风洞一激波管组合设备上开展了碳氢燃料超声速预混可燃气流的点火与燃烧实验研究。实验结果表明:利用激波对燃料进行预热,并以高温燃气作为引导火焰,可以有效缩短汽油空气超声速可燃混气的点火延迟时间,使之缩短到 0.2 ms以下。利用纹影照片对超声速燃烧流场结构作出了分析;研究了超声速预混可燃气流的温度以及当量比对超声速燃烧流场结构、点火与火焰传播特性的影响。     

F. 特种高速摄影技术

本文主要介绍了激光散斑和莫尔摄影、纹影摄影、光纤技术、频闪光源和立体摄影等特种高速摄影技术。     

采用纹影法的微型航空发动机尾喷温度场测量方法北大核心CSCD

航空发动机作为飞机上的核心动力装置,对其运行状态的监测,可以提高飞机的安全性与经济性。航空发动机尾喷温度场蕴含着燃烧室内部燃料燃烧程度等有效信息,对其温度场的监测可实现对发动机运行状态的评估。传统的温度场测量方法一般采用单点温度计测量法、激光诱导荧光法(LIF)、可调谐半导体激光法(TDLAS)等,单点温度计测量法测量数据较离散、LIF设备应用复杂、TDLAS仪器设备价格昂贵。因此针对传统测量方法所存在的问题,提出了纹影测量法。首先需要纹影系统对温度场进行纹影成像,得到正确的纹影图像;根据纹影图像求得截面的折射率分布;根据折射率分布算得温度场分布,实现对温度场的测量。纹影测量法是一种非接触、高精度的测量方法,且无需特殊的激光收发装置。实验证明该方法可有效地应用于实验室微型涡喷发动机尾喷区域温度场的测量,可进一步为航空发动机的状态监测提供支持。     

火焰加速产生压力锋面机理分析

基于定容燃烧弹研究预混层流火焰穿过孔板之后的加速过程。通过纹影法,观测到火焰之前压力锋面形成过程。分析火焰传播速率、火焰前锋结构变化、火焰加速对末端气体的影响以及从计算流体力学的角度分析了压力锋面的形成过程。结果表明,层流火焰穿过孔板会明显加速,火焰锋面之前形成清晰的压力锋面,这导致末端气体温度、压力升高,发生自燃,为小型化汽油机爆震研究提供借鉴。