[發(fā)明專利]基于熒光纖維絲示蹤的壁湍流時(shí)空演化過(guò)程檢測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710766870.3
• 申請(qǐng)日: 2017-08-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107478627B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曹宇;柯一睿;薛偉;孫軻;劉文文;朱德華;張健;孫兵濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 溫州大學(xué)激光與光電智能制造研究院
• 主分類號(hào): G01N21/64
• 分類號(hào): G01N21/64;G01N1/28
• 代理公司: 北京中北知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11253
• 代理人: 陳孝政

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種基于熒光纖維絲示蹤的壁湍流時(shí)空演化過(guò)程檢測(cè)方法。

背景技術(shù)

層流和湍流是自然界和工程技術(shù)中兩種典型的流動(dòng)狀態(tài)。由于湍流的摩擦阻力遠(yuǎn)高于層流(在相同雷諾數(shù)情況下，層流的表面摩擦阻力比湍流要小一個(gè)數(shù)量級(jí))，湍流減阻一直是飛機(jī)、船舶或者潛艇設(shè)計(jì)與制造中的關(guān)鍵技術(shù)因素，以期獲得這些運(yùn)載工具的表面流動(dòng)狀態(tài)盡可能多的為層流流動(dòng)。然而，自從1883年雷諾在著名的圓管流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)層流和湍流兩種不同流動(dòng)形態(tài)以來(lái)，湍流基本的機(jī)理和規(guī)律至今還不是完全清楚，號(hào)稱是經(jīng)典物理留下的世紀(jì)難題。

熱線測(cè)速(hot-wire anemometry，HWA)、激光多普勒測(cè)速(laser Doppler velocimetry，LDV)和粒子圖像測(cè)速技術(shù)(particle image velocimetry，PIV)是目前流場(chǎng)檢測(cè)的三種主要技術(shù)方法，尤其是PIV已發(fā)展成為實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)領(lǐng)域速度場(chǎng)測(cè)量的主流方法，出現(xiàn)了2D TR-PIV，2D-3C TR-SPIV和3D3C TR-TPIV等多種檢測(cè)系統(tǒng)。PIV技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是它可以瞬時(shí)、同步、多點(diǎn)測(cè)量，迄今為止只有PIV技術(shù)才能瞬時(shí)、同步給出流動(dòng)快速演化的全場(chǎng)信息。如今PIV技術(shù)已很大程度上取代了HWA和LDV這兩種過(guò)去主流的逐點(diǎn)測(cè)速技術(shù)，但是HWA和LDV技術(shù)也有其特有的優(yōu)點(diǎn)，PIV技術(shù)迄今仍不能完全復(fù)制。比如HWA信噪比高，是測(cè)量低湍流度湍流流動(dòng)及其能譜的理想方法，而LDV非常適合測(cè)量高湍流度湍流流動(dòng)的單點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間統(tǒng)計(jì)平均量。

一個(gè)PIV系統(tǒng)原理上至少包括如下五個(gè)功能子系統(tǒng)：

(1)光源系統(tǒng)，作用是根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，照亮某一體空間流場(chǎng)中的示蹤粒子，一般2D TR-PIV，2D-3C TR-SPIV要求平面二維的片光源，而3D3C TR-TPIV要求為體光源，光源系統(tǒng)主要由雙腔脈沖激光器、導(dǎo)光臂、體光源透鏡組等構(gòu)成，其價(jià)格較為昂貴。

(2)圖像采集系統(tǒng)，由多個(gè)CCD/CMOS高速相機(jī)組成，并與高精度時(shí)序同步控制系統(tǒng)同步工作，其作用是捕捉時(shí)間序列的示蹤粒子圖像并記錄存儲(chǔ)。

(3)同步控制系統(tǒng)，其作用是根據(jù)計(jì)算機(jī)的設(shè)置使激光脈沖發(fā)射與高速相機(jī)拍攝配合，保持一致，以保證相機(jī)曝光拍攝時(shí)，激光脈沖剛好同步照亮流場(chǎng)中的示蹤粒子。

(4)數(shù)據(jù)分析及可視化系統(tǒng)，用以根據(jù)獲取的精確時(shí)序流場(chǎng)圖像，擬合計(jì)算得到流場(chǎng)隨時(shí)空演化的速度矢量場(chǎng)，并實(shí)現(xiàn)三維流場(chǎng)的重構(gòu)與可視化表達(dá)。

(5)示蹤粒子，通常氣體PIV實(shí)驗(yàn)中的示蹤粒子可以用特初級(jí)橄欖油通過(guò)發(fā)煙機(jī)制備，而在液體實(shí)驗(yàn)中的示蹤粒子常使用聚苯乙烯、二氧化硅等材料制成。示蹤粒子在各類PIV實(shí)驗(yàn)中作用重大，使用質(zhì)量高和特性好的示蹤粒子可幫助獲得更為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通常PIV實(shí)驗(yàn)中使用的示蹤粒子必須滿足幾個(gè)基本要求：I)示蹤粒子必須具有很好的跟隨性以保證拍攝到的粒子運(yùn)動(dòng)圖像充分反映流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)，否則將產(chǎn)生兩相流，造成較大的實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤。粒子的跟隨性主要與其自身的密度，直徑，材料，流體密度和粘度等相關(guān)。示蹤粒子直徑通常小于50μm，液體中的示蹤粒子可比空氣中的直徑稍大。示蹤粒子密度與流體介質(zhì)必須接近以盡量避免粒子自身的沉降、切向和徑向運(yùn)動(dòng)。II)粒子必須用無(wú)毒、無(wú)腐蝕性、性質(zhì)穩(wěn)定的材料制備以防止污染實(shí)驗(yàn)環(huán)境，危害實(shí)驗(yàn)人員健康。III)示蹤粒子需要有較好的光散射特性。在一定拍攝條件下，這一特性將決定粒子圖像的信噪比。粒子較好的光散射特性有助于獲得噪聲信號(hào)更低的圖像，提高實(shí)驗(yàn)精度。一般實(shí)驗(yàn)時(shí)，通常直徑越大的粒子光散射性越好，但是流場(chǎng)跟隨性越弱，因此在選擇粒子時(shí)，需要綜合考慮這兩個(gè)對(duì)立因素，擇優(yōu)選擇。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種基于熒光纖維絲示蹤的壁湍流時(shí)空演化過(guò)程檢測(cè)方法，既有PIV技術(shù)瞬時(shí)、同步、多點(diǎn)測(cè)量的特點(diǎn)，又具有同時(shí)測(cè)量運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性、信噪比高、裝置簡(jiǎn)易、成本低、可靠性高的突出優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于熒光纖維絲示蹤的壁湍流時(shí)空演化過(guò)程檢測(cè)方法，包括如下步驟：

(1)制備測(cè)試樣品；所述測(cè)試樣品為厚度為1～15mm的平面、規(guī)則曲面或復(fù)雜曲面殼體件，材質(zhì)是金屬、非金屬或高分子聚合物，要求其在流場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中不因流體沖擊力發(fā)生塑性變形；所述測(cè)試樣品的表面分布有N個(gè)微細(xì)通孔，N為大于0的正整數(shù)；所述微細(xì)通孔2的側(cè)壁面和表面光滑無(wú)毛刺，孔徑小于100μm；