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从激光片光流动显示到3Dt-3c-PIV全流场观测


--仅以此文纪念我们敬爱的 申功炘 老师
引言



     鉴于“从激光片光流动显示到三维空间三分量速度场时间历程(3Dt-3c粒子图像测速PIV 的观测“(附:激光诱导荧光LIF的浓度场、温度场测量)是现代实验流体力学的里程牌进展,也是很多人感兴趣和广为应用,本图片集奉献给大家共享,通过简要展示本研究小组多年来的研究结果典型图片,以供大家对此进展的沿革有所了解。也望得到讨论、批评和指正

这是一个髙新科技飞速发展的时代,如何跨学科地创新地引入到这门古老的流体力学学科中来,开拓我们的视野,以致可能对湍流等重大疑题有所突破了解,仍将是我们继续努力奋斗研究的目标。 

-----申功炘于2014

1、激光片光空间流动显示

1)氢气泡/前缘分离涡流态,其光路布置实验现场和分离渦切面流态分别见下列图示。申功炘、冯亜南  (1986-7

 

 

  G-X Shen, G-Y Ma, “The Flow Visualization of Leading Edge Flap Discrete Vortices & Image Processing”, Proc. of the First China-Japan Symposium On Flow Visualization, Beijing China, May 1988, P312-317

2)氢气泡/边界层结构相互关系证实流动显示  申功炘、连琪祥、李(1987-89

下列图示,这都是用氢气泡作为示踪子在边界层中,分别用沿流向激光片光和来流成45度角的片光(仍保留有舞台灯同时照明,由此可同时观察到两个切面的流态,氢汽泡絲线面和激光片光切面)取得的流动显示结果。

均可同时看到常规的快慢斑条带(氢汽泡絲线面)和切面渦结构流态(激光片光切面),由此可直接证实,边界层中所谓的两种流动结构形态,其实是一种流动结构形态在不同条件下的显示,有直接的相互关係。此例说明,通过切面和多方位切面的流动显示,可以更清楚地看到真实的流动。

     

  

   

G-X Shen & etc, “Visualization of flow structures in a turbulent boundary layer using a new technique”, ACTA MECHANIC SINCE vol5. No.4, P376-382 (1989)  

G-X Shen, “A New Aspect of the structures in a turbulent boundary layer” 7th Symp. On Turbulent Shear Flows 24-5 (1989), Stanford, USA

3)横向喷流混合流显示     申功炘、晋健1989

 

 

 


  4)分离涡的空间结构,见图示。    申功炘、晋健、王政(1987-91

  a.钝头体的空间渦结构流态显示釆用荧光素纳染料液,用针管注入模型表面上,激光片光打在垂直于横型轴缐的切面上,如图示,绕钝体的两分离渦及其二次渦和脱落渦均清楚可见。

  

  

 b.绕三角翼和双三角翼的流动显示。分别采用一种和二种荧光染料溶液(分别展示前、后三角翼分离渦),均在前缘开缝进入流场。下例一系列图,均展示了垂直于翼面的切面的渦结构流态。 

  

      c.空间流动显示。釆用上述相同方法,但片光釆用了前面介绍的气浮支架移动片光照明,在照相机开B门期间,片光移动,拍攝。由此可得到展示内部流动结构的空间流动显示结果,如下图所示。


1991

 GX Shen "Flow Spacial Visualization Techniques & its Application",ACTA AERODYNAMIC SINICA(1991)    

  Shen,Gongxin"Laser Spatial Flow Visualization and its Application:,ACTA AERODYNAMICA SINICA Vol.10,N.3,28-3-292,Sep,1992

5)前缘分离涡切面显示        申功炘、苏文输、魏润杰2000-21

 将荧光染料溶液通过机翼的孔或缝注入流场中,激光片光通过分离渦的渦轴,则可展示分离涡内部切面流态。如见下图图示:

 

2、激光诱导荧光LIF流动显示用于浓度场和温度场测量

1用于喷流混合流的切面流动混合结构和浓度场测量  申功炘、晋健(1998-2000

荧光素钠溶剂作为喷流液体,外界为纯水,氬离子激光器作片光源

   图示喷流混合流的切面流动的混合结构(色标为浓度大小:兰色浓度为0白色浓度为1) 

   Shen Gongxin JinJian “LIF Quantitative Concentration Field Measurements for the Mixing Flows of Free Jets” ACTA MACHANCS SINICA, Vol24.No.4, p488-493, (1992.7)

2)用于温度场测量

LIF-T技术应用于热射流温度场的测量   赵学礼、康琦、申功炘 

   

   上图左为试验布置图,右为诺丹明溶剂在均匀分布的温度场中的温度校正色彩图 (上端恒温加热、下端为冷端)


热喷流为诺丹明溶剂,周环为常温纯水,热喷流混合流:展示了热喷流的混合结构,彩色图同时展示了热混合流的温度分布,色标为定量温度。   赵学礼、康琦、申功炘"激光诱导荧光应用于流体温度场测量研究 Measurement of temperature field in water via LIF " 第六届全国实验流体力学学术会议论文集 P398-403;2004,4

3、粒子图象测速 PIV 发展沿革

1 )氢气泡图象网格测速法 1988     马广云 申功炘

  

  Shen Gongxin Ma Guangyun ““Hydrogen Bubble Mesh-Image Method—A 2-D InstantaneousVelocity Measurements” Proceeding of the 3th China national Conference o  Flow Visualization, p201-206 Qindao China Oct. 1991

2)白光气泡图像测速技术 (WBIV)       马广云 申功炘 1989     采用白光气泡图像测速(WBIV)技术应用于绕二维后向台阶起动涡的速度场的时间历程瞬时测量,速度场的测量结果既定性地显示起动涡的涡结构,又定量地给出速度场,并由此给出涡量场,表明起动涡大于定常涡4~5倍。
    Shen Gongxin Ma Guangyun” The Investigation on the property and structure of A Starting Vortex Flow” 6th Int. Symposium on Application of Laser Technique to Fluid Mechanics, Lisboa, Portugal, July 1992 
    Shen Gongxin Ma Guangyun “White Light Bubble Image Velicimetry” ACTA AERODYNAMICA SINICA Vol.11, N.2 ,p.217-223,  Jun.1993
     G-X Shen, G-Y Ma “The investigation on the properties and structures of a starting vortex flow past a backward-facing step by WBIV technique”, Experiments in Fluids, 21 (1996) 57-65, Springer-Verlag 

    

白光气泡图像测速实验装置

   

典型二维后向台阶的速度场(WBIV)

3) 粒子图像电影测速   马广云 申功炘1991-2

 

   图  粒子图像电影测速实验布置图              图 激光机械斩波调制装置原理图


图 照相机工作原理图

   Ma Guangyun Shen Gongxin “Particle Image Cinematograph Velocimetry” Proceeding of the 2nd China-Japan Symposium on Visualization, p201-204 HangZhou, China Sep.1992
 Ma Guangyun Shen Gongxin”A high Accuracy and fast Automatic Processing Method of Young’s Fringes in PIV”, ACTA AERONAUTICA ET ASTRONAUTICA SINCA, Vol. 14, n.9 p455-459, Sep.1993


4) 2D-2c-PIV 

     A)超音速喷流的DPIV实验测量    代钦 申功炘 马广云   1999-2002

     采用粒径小于0.5微米的示踪粒子,由所测速度场展示激波和膨胀波 

    

图 超音速喷流波系的阴影图象

 

a)2DPIV-时刻的等速度分布图(P0=0.32MPa)

b)2DPIV-时刻的等速度分布图 (P0=0.28MPa)

     代钦,魏润杰,申功炘GX Shen等“数字式PIV设备对超音速喷流的实验测量             Measurements of supersonic jet flow via DPIV  ”北航学报(J.of Beijing University of Aeronautics & Astronautics) 27, N6, p666-670, 2001.12  

Daichin, G-X Shen, "A supersonic jet flow field measurements using DPIV", 9th Int. Symp, On Flow Visualization, Aug22-25/2000, Edinbergh, P-47.


      B)2DPIV-前缘分离涡切面速度场    申功炘、苏文输、魏润杰(2000-21)

     左图   等速度场流线图(t=0)      右图 等速度场流线图(t=100ms)

     左图  等速度场流线图(t=0)     右图  等速度场流线图(t=100ms)

    魏润杰*,申功炘 “DPIV系统研制及其应用Research and application on DPIV system”流体力学实验与测量(J. Of Experiments in Fluid Mechnics),17,2,p88-92, 2003

      C)  2D-PIV水洞流场校测  黄湛 申功炘 2000-2002 

首次釆用特定预偏置技术,可将PIV技术用于速度测量精度达到千分之几的流场校测测量精度。

特定预偏置技术:




测量结果表明,无预偏置DPIV测量主流速度均匀度分布为0.7 %~ 1.2 %,最大速度偏差2.75% ~11.52%;预偏置DPIV测量主流速度均匀度分布为0.13%~0.4%,最大速度偏差0.55%~1.38%;激光多普勒仪测量主流速度均匀度分布为0.58%~0.78%,最大速度偏差1.27%~2.80%;皮托管测量主流速度均匀度分布为0.53%~0.78%,最大速度偏差1.98%~2.20% 。      

预偏置DPIV测量流场校测提高了测量精度一个量级,从百分之几提髙到千分之几,满足流场校测的要求。

上图:无预偏置DPIV测速区域流线及等速度图

上图:预偏置DPIV测速区域流线及等速度图


   图4.4.3.1.1为无预偏置DPIV测量区域速度稳定性分布图(0.32%~2.30%), 图4.4.3.1.2为预偏置DPIV测量区域速度稳定性分布图(0.07%~0.39%)。

    黄湛,申功忻,魏润杰,郭辉 “DPIV 在水洞流场均匀度校测中应用Testing section flow calibration in water tunnel via DPIV ”,北京航空航天大学学报(J.of Beijing University of Aeronautics & Astronautics),28卷,5期,2002.10,p559-562。  

    黄湛,G-X Shen, etc. “DPIV measurements using Pre-bias method for the velocity uniformity in a water tunnel “, SPIE Vol.4448, p348-357, 2001。

D) 槽道底层湍流的DPIV实验观测    黄湛 申功炘 2002-2005
                  

用PIV速度场测量展示底层湍流的速度型及二维流动结构

    

      图3.1—跨帧DPIV系统实验布置图

         

                   图3.3—实验光路图           布置图3.2—CCD相机


                          

图5.1.3a —0.0秒时的脉动   图5.1.3b —0.0秒时的流   图5.1.4a —1.0秒时的脉动

        速度矢量场                向速度型              速度矢量场

     

          

图5.1.4b —1.0秒时的流向  图5.1.5a —2.0秒时的脉动速  图5.1.5b —2.0秒时的流

         速度型                   矢量场                   向速度型

         

图5.1.6a —3.0秒时的脉动  图5.1.6b —3.0秒时的流  图5.1.7a —4.0秒时的脉动

      速度矢量场                 向速度型                速度矢量场

        

图5.1.7b —4.0秒时的流向  图5.1.8a —5.0秒时的脉动  图5.1.8b —5.0秒时的流向

        速度型                    速度矢量场                  速度型

             

  图5.1.9a —6.0秒时的脉动速度矢量场    图5.1.9b —6.0秒时的流向速度型


               

图5.1.10a—0.0秒时的速  图5.1.10b—0.0秒时的脉动  图5.1.11a—1.0秒时的速度

度矢量场与脉动能量色标图  速度矢量场与剪切应力色标图  矢量场与脉动能量色标图

               

图5.1.11b—1.0秒时的脉     图5.1.12a—2.0秒时的速度      图5.1.12b—2.0秒时的脉动速

动速度矢量场与剪切应力色标图  矢量场与脉动能量色标图     度矢量场与剪切应力色标图

        

图5.1.13a —3.0秒时的速      图5.1.13b —3.0秒时的脉动

度矢量场与脉动能量色标图      速度矢量场与剪切应力色标图







 











 

 


 
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