强梯度复杂流场中的粒子动力学响应试验研究

示踪粒子在(高)超声速流场中的动力学响应是粒子成像测速等粒子示踪测量技术的关键问题之一.现有文献对粒子动力学响应的试验测量往往是通过单个斜激波响应的测量方法.然而,当示踪粒子用于测量高速飞行器发动机内部复杂的激波串流场时,粒子将经历由多道激波导致的速度、压力、黏性等剧烈变化.本文结合目前(高)超声速飞行器的研究热潮,重点关注示踪粒子在应用于发动机内部具有连续激波的复杂流场测量中存在的跟随性评估方面,开展了一系列的相关试验研究.包括测量超声速风洞的喷管出口速度分布以验证测试系统的性能,在马赫4.2和3.0流场中测量了粒子对二维10°和15°单斜劈绕流中的斜激波动力响应,并测量了模拟发动机内部连续梯度的双斜劈粒子斜激波动力响应.结合粒子动力学的理论模型,得到了各状态的粒子弛豫时间、弛豫距离、Stokes数.基于图像方法、统计学规律分析了激波非定常抖动对测量结果的影响,并对测量结果进行了修正.结果显示,相同斜劈角度下,马赫数越高,粒子的弛豫时间、弛豫距离就越大.但是在相同的来流马赫数下,斜劈角度越大,粒子的弛豫时间、弛豫距离反而减小.在强梯度之后由于流场的雷诺数和黏性系数变化剧烈,粒子的跟随性降低了大约5.7%,stokes数增加了约1%.虽然在本文条件下Stokes数仍满足超声速流场对粒子跟随性的要求,但粒子响应的降低无疑是值得关注的,尤其是当其被应用于具有更多连续梯度的复杂流场测量中.     

PIV技术在气体界面不稳定性实验研究中的应用

采用粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术,以乙二醇烟雾作为示踪粒子,实验测量了平面激波作用下SF6气柱-空气界面Richtmyer-Meshkov不稳定性演化图像和二维速度场.测量结果揭示了不稳定性流场的典型特征和细微结构,与高速摄影和数值模拟结果符合,说明建立的PIV技术适...     

扩散燃烧流场的PIV测试方法探讨

由于能提供高时空分辨率的瞬时流场信息,二维粒子成像速度仪(PIV)已广泛应用于燃烧流场的测量.本文利用PIV对甲烷同轴射流扩散燃烧的流场进行了测量,针对测量中出现的示踪粒子导入、火焰发光干涉、光强不均、数据处理等问题进行了分析和实验,获得了有效的解决办法和满意的测量结果.     

一种单相机流场速度场三维测量方法

提出了一种用单CCD摄像机进行大型流场三维速度场的测量方法 ,该方法通过利用片光的厚度特征和粒子跟踪算法实现三维速度场的重建 ,通过对模拟脱硫塔中的流场测量证明 ,该方法可以测量定常或低速流场。     

用SPIV技术测量压气机转子尖区复杂流动

本文将数字式SPIV技术应用到低速大尺寸压气机实验台上,并在设计状态和近失速状态下,对转子槽道内叶尖区域多个截面内的三维瞬态速度场进行了成功测量。测量结果表明SPIV透过机匣视窗及即可直接测量旋涡和二次流的瞬态结构,而且能够解决多级压气机内部流场的测量.在压气机SPIV测量中,激光反光的控制和示踪粒子的均匀稳定散播是决定成败的关键因素。     

基于法布里-珀罗干涉仪的瑞利散射测速技术研究

基于法布里-珀罗干涉仪的干涉瑞利散射测速技术原理,结合种子注入Nd∶YAG脉冲激光器、ICCD相机和高光谱分辨法布里-珀罗干涉仪,建立了一套干涉瑞利散射速度测量系统,系统的速度测量准确度为10m/s.对拉瓦尔喷管产生的超声速自由射流开展干涉瑞利散射速度测量,得到气流的流动速度为366m/s.在不需要外加任何示踪粒子的条件下,利用流场气体分子本身的瑞利散射,实现了对超声速流场速度的非接触测量.     

一种改进的光场μPIV反卷积重建算法

光场显微粒子图像测速技术(μPIV)利用Lucy-Richardson反卷积算法重建粒子场时需进行多次迭代计算,重建耗时长.为提高重建效率,本文利用光场μPIV流场测量过程中示踪粒子稀疏分布的特点,提出一种改进的反卷积重建算法.该算法以粒子场中非零元素与对应点扩散函数的乘积和代替粒子场与点扩散函数的卷积运算,减少了反卷...     

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.     

拟涡位移模型及气粒两相流动数值模拟

本文首先用离散涡方法对绕圆柱和半无限长平板的流动作了数值模拟。在讨论粒子和涡团耦合运动的基础上首次提出了粒子在流场中运动的拟涡位移模型，并对几个典型的气粒两相流动作了数值模拟。文章最后对流场中粒子运动的瞬时状态作了统计处理，得到了关于粒子在流场中分布的概率密度函数和粒子脉动速度的分布函数并用拟涡位移模型对壁面附近粒子的运动－沉积和反弹作了数值模拟。计算结果是令人满意的。     

用于彩色光照粒子图像测速的粒子场模拟成像

分析了基于彩色光照的粒子图像测速算法中示踪粒子的成像原理,并根据实际流场中的应用环境以及彩色粒子图像测速算法的实验条件,采用一套由白色光源和波长线性变化的滤波片组成的照明系统,为粒子场提供不同深度、相同光强的彩色体积光照明.根据针孔相机模型和其对应的点扩散函数,建立示踪粒子的三维成像模型,得到在彩色体积光照射下流场中的...     

A Simple Method of the Flow Rate Determination of Fluids on the Basis of Diagrams obtained by a Radioactive Tracer Measurement

The simpliest and most convenient in a practical use method of the flow rate measurement, based on the tracer technique, is a such one, in which the passing time of the “tracer wave” is determined. The results are then obtained as a diagram of radiation intensity in the chosen points of the pipeline. The passing of the tracer over these points is marked on a recording tape in a form of the characteristic peaks. Depending on the kind of flow, the recorded peaks take the different shapes. In the first order they depend on the velocity profile in the pipe cross section. This differentiation of velocities causes that, when the distance between the detecting probe and the injecting unit increases, the tracer wave becomes more diluted, involving consequently a corresponding lengthening and flattening of peaks.     

高超声速平板边界层流动显示的试验研究

本文在高超声速脉冲式风洞内对基于纳米示踪的平面激光散射技术(nano-based planar laser scattering, NPLS)的应用进行了探索, 并在此基础上对平板边界层流动结构的精细测量进行了研究. 试验来流Ma=7.3, 总压4.8 MPa, 总温680 K. 通过时序的分析和调试, 对各分系统实现了高精度的同步控制; 定量的粒子注入及混合, 实现了粒子的均匀撒播, 对主流获得了均匀的显示效果; 对于边界层流动, 获得了精细的瞬态流动结构图像, 显示了层流到湍流的转捩过程, 并分析了其时空演化特性.     

High-speed non-intrusive measurements of fuel velocity fields at high-pressure injectors

Using a single high-speed camera and a frequency modulated laser, a novel approach is presented for fast velocity field measurements in unsteady spray flows. The velocity range is from zero up to several 100 m/s, which requires a high measurement rate and a large dynamic. Typically, flow measurements require to seed tracer particles to the fluid. A paradigm shift to seeding-free measurements is presented. The light scattered at the phase boundaries of the fluid droplets is evaluated. In order to validate the high-speed measurement system, a detailed uncertainty analysis is performed by means of measurements as well as simulations. Thereby, variations of the scattered light intensity, which are based on the high temporal velocity gradients, are found to be the main contribution to the uncertainty. The eventually measurement results, obtained at a measurement rate of 500 kHz, exhibit spray velocities ranging from 0 m/s up to 400 m/s in less than 1 ms, and the detection of unsteady and irregular flow phenomena with a characteristic time of several μs is achieved. This demonstrates the high measurement rate, the high temporal resolution and the large measurement range of the proposed high-speed measurement system.     

Study of initial shock wave in exhausted flow field by use of a Laser Moire Deflectometry instrument

The initial show wave is a non-stationary phenomenon in the initial stage of an exhausted flow field. Its movement characteristic and development process cannot be mastered accurately with the use of contact-type measurement methods, such as pressure and velocity measurements. An experimental study of the shock wave field by use of a Laser Moire Deflectometry instrument is introduced in this paper. The instrument has a large caliber, high sensitivity and high precision. A serial photograph of shock wave field is also presented. The formation mechanism and development trend of the initial shock wave can be drawn from analysis of flow field display photographs.     

水洞流场PIV显示与分析系统离轴测试校正

粒子图像测速技术(PIV)通过测量被测流场截面上每一位置点的速度,获得整个被测流场的信息.在PIV一般应用中所使用的照明激光片光与成像CCD装置的拍摄方向是垂直的,在某些应用场合受测试条件的限制,需要采用离轴方式进行测量,此时CCD成像方向与照明的激光片光不垂直,而是有一定夹角.离轴测试方式将对PIV系统的光学成像系统、示踪粒子选择和粒子图像处理带来影响.实验采用Scheimpflug离轴聚焦的方法对表面镀银高反射率的示踪粒子进行成像,通过调整成像透镜与CCD像面的夹角可获得清晰的粒子成像,并利用网格校正板和软件计算处理等方法有效校正了由于离轴测试带来的影响.     

LDV进行湿蒸汽两相流流速测量的试验研究

ＬＤＶ进行湿蒸汽两相流流速测量的试验研究李秀云，张华，隋剑平，薛祖绳（吉林电力职工大学动力系长春１３００２２）（东北电力学院吉林１３２０１２）关键词：激光，湿蒸汽，测量一、前言在湿蒸汽两相流的研究中，两相流流场的测量是最为复杂的问题之一，常规测试方法...     

Benefits of Important Industrial Tracer Applications in the GDR

Tracers can be used to label substances or objects in order to discriminate between them, to follow their movement, to record changes of concentration and distribution between phases, etc. The main advantages of tracer investigations are the contactless recording of signals without influencing the observed process (also under rigorous operation conditions), the high detection sensitivity, the large number of available tracer nuclides (problems of all branches of industry can be solved) and the fact that tracer investigation can be carried out on operating production units, so that they provide valuable checks of the validity of design and process data. The cost-to-benefit ratio can be as low as 1:50. In the following some selected examples of tracer applications carried out by the staff of the Central Institute of Isotope and Radiation Research and their benefits will be presented.     

流化床内单个颗粒传热特性的模拟

单个颗粒的传热过程对于燃煤流化床锅炉中煤的着火和随后的燃烧过程具有重要的影响。本文建立了一个基于Euler-Lagrange方法的数学模型对其进行了数值研究。该模型对流体相的运动和传热规律以Euler。方法描述,对固体颗粒相则以近年来发展起来的离散单元方法(DEM)在颗粒层次上进行描述。研究结果表明颗粒与床层之间有很高的传热系数。另外,对单个颗粒温度变化过程的模拟研究表明,颗粒经过较短的时间便能接近床层的温度,且不同颗粒具有类似的温度变化特性。     

高速流动PIV示踪粒子跟随性分析

通过理论推导提出了一种评价高速流动PIV示踪粒子随流能力的松弛特性分析模型,在法向Mach数大于1.4时具有良好的适用性.将新模型应用于试验测量,发展了高速流动PIV系统和示踪粒子布撒技术,验证了高速流动PIV的定量化测量能力.针对空间发展的二维超声速气固两相混合层,数值模拟了不同Stokes数和对流Mach数（M_c）下的粒子跟随性以及弥散和迁徙运动,结果表明:相同对流Mach数,粒径越小的示踪粒子跟随性越好,Stokes数在[1, 10]范围内的粒子有最大扩散距离.示踪粒子的直径大小决定其在超声速混合层大涡拟序结构中的分布特征,且粒径越小,气体与粒子的掺混越剧烈.相同粒径的粒子,对流Mach数越大跟随性越差.