基于粒子图像测速技术的涡旋简易测控

基于立轴涡旋理想模型结合漏水及水泵冲击方法精巧设计了抽水进水平台,利用该装置生成稳定且可控的流体涡旋.采用跟踪流体运动的示踪粒子、激光器、CCD相机等器材构成本实验的测量系统,利用Virtual Dub软件处理视频得到连续分帧的清晰像,通过PIV粒子图像测速技术对摄取图像进行处理,得到不同高度、距离涡旋中心不同距离的三维平面内的涡度、速度环量等涡旋相关物理量的具体数据.结果表明:对于同一稳定流体涡旋,越靠近涡旋中心,流速越小,涡度越大;涡旋高度越高,涡旋表面速度越小.     

地形强迫对西边界流的影响探究实验

文章实验旨在利用实验室转台、常角度倾斜斜面、圆柱形障碍物以及水泵来模拟西边界流和海底地形.利用PIV粒子图像测速技术探究表层流场,并讨论当地形障碍物位于不同位置时,西边界流的流态变化及能量分布情况,进而探究流域中涡旋的产生位置、传播路径和涡周期.实验结果表明正压条件下入侵西边界流的地形障碍物能够在其下游产生涡动能较大的流动并可认为是黑潮延伸体模型,并且由于此流动具有强烈的不稳定性,有非定常涡旋在此产生并传播;另外,不同位置的地形障碍物也可能导致西边界流分叉,产生回流流涡,进而使得西边界流流量以及能量分布发生变化.      

基于激光雷达回波的飞机尾涡参量提取

为了实现对飞机尾涡的有效监测,解决机场飞行安全与跑道容量受限的问题,提出了一种基于激光雷达回波的飞机尾涡参量提取算法.从尾涡的物理模型出发研究飞机尾涡的涡旋环量、径向速度分布等参量,对尾涡结构进行描述.依据尾涡参量的性质,给出了参量提取算法的设计流程,即对回波信号进行分解除噪等处理;通过选取门限确定正负速度包络,进而得到径向速度分布;利用径向速度分布反演得到涡核半径、涡核位置及涡旋环量等尾涡参量.最后以某型飞机的激光雷达探测实验数据为例进行了实例计算并与模型仿真结果进行对比,验证了该算法的有效性.     

基于射流冲击横流原理产生涡旋及其测量

采用射流冲击横流的方法产生涡旋,模拟水岸和流水域的涡旋生成.通过CFD软件模拟真实的水流,研究射流和横流不同流速比以及射水口的位置对涡旋产生的影响,确定涡旋生成的最佳参量.实验中在水槽里产生稳定的涡旋,加入红色泡沫颗粒实现涡旋可视化,并采用双摄像头和3D-PIV技术对涡旋的三维流场特征和结构研究分析,计算得到涡旋的速度环量场、线速度场、涡量场以及黏度.     

基于Sagnac干涉仪的涡旋光制备方法

为了制备高质量涡旋光,对基于Sagnac干涉仪的涡旋光制备方法进行了理论分析、改进设计和实验验证.介绍了高斯光束叠加和附加相位差π产生的原理,在分析干涉回路对横向剪切量影响的基础上,搭建了基于Sagnac干涉仪的涡旋光制备装置,给出了搭建实验平台的相关注意事项,并利用本方法分别制备出拓扑荷数为+1、-1的涡旋光.涡旋光在不同传播距离下拓扑荷数始终保持为+1或-1.基于光斑可调的改进实验装置可有效提高涡旋光质量.     

对称槽道涡波流场流动特征的POD分析

为深入分析层流状态下对称槽道内涡波流场的流动特性及其变化规律,对流场进行了二维粒子图像测速(2DPIV)测量获取瞬态速度矢量数据,利用本征正交分解(POD)技术进行模态分解以及涡波流场的重构,然后根据重构的流场对对称槽道内涡波流场进行了平均速度剖面、流场脉动强度以及特征点的速度和频谱分布等方面的分析。结果表明:POD的前15阶模态能够表征涡波流场的主导结构,第1,3阶模态主要表现为一对旋向相反的涡对特征,第2阶模态具有涡旋和波状主流的特征;提取了5个涡旋涡核的位置作为流场流动特性的特征点;根据POD重构流场分析发现流向平均速度呈抛物线形状分布,法向平均速度呈对称分布特征;流向脉动强度受壁面的影响较大,法向脉动强度呈现抛物线形状分布;距离中心主流较近的1#,4#,5#特征点的速度脉动程度受主流的脉动强度影响较大,速度的脉动主频0.15 Hz与次频、流场的自然频率0.35 Hz共同影响特征点的速度分布;2#,3#特征点的流向速度呈衰减趋势,法向速度在初期幅度变化较大。     

用PIV测量水泵开敞吸水池内突扩流动

吸水池内的涡旋流动将引发泵的振动、空化、空蚀和泵的效率下降,严重时会导致泵站不能正常工作,本文用PIV测量水泵开敞吸水池内突扩流道速度分布,实验表明流体通过突扩流道,整个流场可分为三个区域:主流区、过渡区和回流区.沿流动方向主流区速度相对较大,回流区速度相对较小,过渡区速度介于两者之间.涡带主要产生在靠近吸水池两侧壁,随着流动区域的扩展,靠近侧壁的涡流将消失.     

基于光学涡旋相移技术的离面位移测量

设计了基于光学涡旋相移技术的离面位移测量实验方案,实现了电子散斑干涉中相移的数字控制.该方法利用输入液晶空间光调制器中的叉形光栅产生涡旋光束,通过涡旋光束绕轴的旋转产生相移;同时,产生的涡旋光束又作为参考光与物光干涉.实验中,在物体发生离面位移前后依次输入四幅叉形光栅,产生相移步长为π/2的涡旋光束,利用CCD获得涡旋光与物光的干涉光场,从而获得离面位移场的包裹相位;再通过解包裹,获得物体离面变形的相位变化.光学涡旋相移法可应用于离面位移测量.     

利用一维Vlasov和Maxwell方程模拟激光等离子体相互作用

应用一维Vlasov和Maxwell耦合程序详细研究了激光等离子体相互作用中的基本问题——受激拉曼散射(SRS). 通过研究发现, SRS的产生与电子速度分布函数在相空间中的结构密切相关, 当电子速度分布函数形成相空间涡旋时,背向SRS光大幅增加,而当电子等离子体波相速度附近的电子速度分布函数曲线变平坦后, 背向SRS光基本停止发生. 在模拟中观测到了SRS的爆发、电子速度分布函数形成相空间涡旋、电子俘获等清晰的物理图像. 关键词： Vlasov-Maxwell模拟 受激拉曼散射     

OH分子示踪法用于气态流场速度测量

研制了一套单线羟基(OH)分子标记示踪流场速度测量系统,OH分子标记线由193 nm波长脉冲氟化氩(ArF)准分子激光柬解离流场中的水分子产生,利用脉冲染料激光倍频的约282 nm激光片显示OH分子荧光图像,由获得的两个时间关联的OH分子标记线位置图像计算流场的速度分布.研究了空气和火焰中193 nm波长激光解离水产生的OH分子寿命,实现了常温空气流场和高温超音速流场速度分布的测量,并对测量结果进行了分析讨论.     

平面涡旋光干涉的分析

光学涡旋具有独特的相位奇点和螺旋相位结构, 多个涡旋光场之间的干涉呈现出新颖的强度和相位分布特征.通过在平面波背景中嵌入涡旋相位产生平面涡旋光场, 采用数值模拟方法研究了多个平面涡旋光场之间的干涉, 并分析了两个平面涡旋光场的中心间距及拓扑荷值对涡旋产生和湮灭的影响.进一步数值研究了对称分布的多个点涡旋光之间的干涉, 结果表明通过改变涡旋光束数目或者拓扑荷值, 可获得不同分布的对称涡旋阵列光场.利用计算全息并通过空间光调制器, 实验上实现了具有不同拓扑荷值的多个对称点涡旋光场的干涉, 其干涉图样与模拟结果吻合.实验结果不仅证实了数值模拟结果, 也为实验研究复杂涡旋光场的干涉提供了一种有效方法.     

基于混合光模式阵列的自由空间编码通信

光学涡旋的产生、传输与应用是当前光学领域的研究热点之一.光学涡旋具有轨道角动量,作为一种全新的自由度,丰富了目前光通信的方式.利用面向目标的共轭对称延拓傅里叶计算全息技术,基于空间光调制器,用单束激光直接产生混合光模式阵列进行编码通信.采用由单光涡和复合光涡构成的4种易于识别的模式组成2×2混合光模式阵列,进行灰度图像的编码传输.在接收端提取混合光模式阵列图的信息并进行解码,实现零误码的灰度图像再现.以传输一幅Lena图像为例,使用2×2混合光模式阵列进行编码通信,相对于传统单光涡编码通信,其信息容量可增加4倍.该方法光路简单易行,可扩展性强,进一步拓展使用4×4混合光模式阵列进行编码通信,信息容量提升16倍.提出的混合光模式阵列编码通信方法对于提高信息传输容量具有重要价值.     

高质量光学涡旋阵列的实验研究

将光学涡旋与计算全息技术相结合,提出一种高质量光学涡旋阵列的产生方法.从理论上研究了光学涡旋阵列的形成和分布特征,并模拟仿真产生涡旋光束阵列.基于面向目标的共轭对称延拓傅里叶计算全息方法编码生成光学涡旋阵列的全息图,利用单个反射式空间光调制器光电再现了与理论一致的光学涡旋阵列,并通过马赫-增德尔干涉法对生成的光学涡旋阵列进行验证.产生的高质量光学涡旋阵列提供了更复杂的结构分布和更多的可控参量,且实验光路易实现.研究结果在光学微操控、光通信等领域具有潜在应用价值.     

多模高阶涡旋光的光束漂移实验研究

光束漂移会造成涡旋光功率波动和闪烁,是影响自由空间光通信、传感以及远距离成像的一个重要因素.通过调控多模涡旋态和模拟扰动环境,实验研究了非相干叠加和相干叠加多模涡旋光的漂移现象.通过测量轨道角动量(OAM)谱中信号OAM模式的功率波动和闪烁指数,发现高阶涡旋光束比低阶涡旋光束具有更优的抗功率波动和抗闪烁表现;多模涡旋光...     

涡旋中双臂形成的物理机制及其演变

利用柱坐标下的流体涡度方程,研究了涡旋中双臂的形成机制问题.结果表明：涡旋中切向波数为2（m=2）的扰动在基本流场中可出现不稳定快速增长,但其增长率受时间限制;扰动可演变为螺旋双臂并向外扩展;扰动发展的物理机制是扰动的速度场对基本涡度场强平流效应所致. 关键词： 旋涡星系 不稳定波动 螺旋云带 台风     

光速处理的高精度光电混合相关探测图像运动位移

为测量航天遥感相机因姿态不稳定以及各种扰动引起的图像运动,提出了基于光速处理的高精度光电混合相关探测测量方法.利用高速CCD和主CCD对同一目标进行成像,在曝光时间内高速CCD获取序列图像,利用联合变换相关器对所采集的图像序列进行光学运算,测量出相邻序列图像的运动位移.阐述了光学相关方法测量图像运动的原理,并模拟分析了噪声和不同运动条件下的测量精度.建立了相应的测量像移的实验系统,实验数字模拟及实验结果都证实了该方法的有效性,测量精度优于0.1像元,满足卫星遥感相机的使用要求.     

混合层流场中涡结构对流速度的特性

基于大涡模拟和光线追踪方法, 对光线穿越流场后的光程分布与混合层流场中涡结构之间的关系进行了分析, 提出了一种基于涡核位置提取的涡结构瞬时对流速度定量计算方法, 并使用直接几何测量数据进行了验证. 通过对不同尺寸的涡结构、涡-涡配对及融合过程中的涡结构和强压缩性流场中涡结构瞬时对流速度的定量数值计算, 揭示了混合层流场中涡结构对流速度的特性: 对单个涡结构而言, 其瞬时对流速度具有脉动特性, 且脉动幅度随涡结构尺寸和流场压缩性而变化; 在涡-涡配对及融合过程中, 涡对中各个涡结构的瞬时对流速度都表现出类似正弦波动的特点. 针对混合层流场中涡结构对流速度的特性, 给出了其背后的物理原因.     

气粒两相湍流中颗粒倾向性分布现象的研究

选取平板混合层流动大涡模拟的某一瞬态流场,获得了稳态颗粒倾向性分布现象,并跟随富集区颗粒全轨道,分析了其运动状态沿轨道的变化.发现导致倾向性分布的并轨和轨道分离两种机制.在并轨机制中,不同来源的颗粒被较强涡旋俘获,使向心力和离心力平衡而产生趋同效应,进而发生并轨.在轨道分离机制中,邻近颗粒处于垂向速度方向有较大差异流场中会发生相反偏转,从而产生轨道分离.研究还表明:这些机制只能在跟随性和惯性相对平衡的颗粒中才能发生.     

基于CMOS探测模拟气泡幕前向光散射动态特性

提出了基于CMOS图像传感器探测前向激光近轴的散射横面角和散射纵面角的概念.使用CMOS采集了模拟气泡幕前向散射光动态图像序列,通过计算每帧灰度图像行和列像元均值将其可以用一个列向量和行向量表示,从而图像序列可以用一个图像序列矩阵描述.实验模拟了压强0.005MPa和0.01 MPa产生的气泡幕,通过计算两种压强产生的气泡幕前向光散射图像序列的横向灰度均值和纵向灰度均值,定性分析了100帧图像序列的灰度分布和演化特点,并定量分析了5帧连续图像的动态变化范围和相关性.分析CMOS探测气泡幕前向散射光动态图像序列实验结果表明,随着压强增大,产生气泡幕尺度增大、密度增加、上升速度加快,导致图像序列横向和纵向散射光灰度变化范围增加,并且相邻图像帧之间变化波动幅度增大.     

多涡卷高阶广义Jerk电路

提出在高阶Jerk系统中产生多涡卷混沌吸引子的一种电路设计与实现新方法.根据高阶Jerk方程，构造了一组具有参数控制的阶跃函数序列，在此基础上设计了产生多涡卷混沌吸引子的高阶广义Jerk电路.用这种方法设计电路的一个主要特点是通用性强，基于一种广义的电路形式，通过双掷开关切换，可分别实现多涡卷四阶和五阶两种不同类型的高阶Jerk电路，并由联动开关控制产生涡卷的数量.给出了在四阶和五阶Jerk电路中产生多涡卷混沌吸引子的计算机模拟和硬件实验结果. 关键词： 高阶广义Jerk电路 阶跃函数序列 多涡卷混沌吸引子 电路实验