水平前向插入式流速仪对流速场影响的实验研究

前向插入式流速仪在工作时其探头会对待测流场造成干扰,该文对简化流速仪模型的干扰范围进行了测量和分析。简化模型仿毕托管（Pitot tube）形状,水平放置于明槽流场中,采用粒子图像测速（PIV）技术测得代表性平面瞬时二维流场。通过分析流场的沿程变化特征,确定了流速仪模型对其正前方水流的影响距离。实验结果表明：流向速度随距模型顶点距离的增大逐渐增加最后趋于来流速度,而水流的展向速度、紊动强度和雷诺应力（Reynolds stress）均随距模型顶点距离的增大而逐渐减小最后趋于稳定;流速仪对其前方水流的流速影响距离较大,对紊动强度的影响距离较小;流速仪对前方水流影响距离随模型直径增大而增大,在实验条件下,影响距离与模型直径成正比。     

柔性淹没植被的排列方式对水流特性的影响

采用塑料草模拟河道中的柔性淹没植被,通过室内高精度水槽试验,用三维声学多普勒流速仪对同种淹没度、不同排列方式下柔性淹没植被的水流特性进行测量研究,得到柔性淹没植被时均纵向流速、垂向紊动强度、雷诺应力沿相对水深的分布特征.结果表明:在植被层外部,两种排列方式下时均纵向流速符合"J"形分布,垂向紊动强度、雷诺应力呈递增趋势,近似线性分布;在植被层内部,梅花形排列方式下阻水效应及雷诺应力较之矩形排列明显,矩形排列方式下垂向紊动强度较之梅花形排列剧烈.     

弯道局部非淹没刚性植被水流特性研究

摘要对180°弯道局部长有非淹没刚性植被的水流特性进行了研究．用钢筋来模拟天然河道的刚性植被,采用三维多普勒超声流速仪（ADV）分别对无植被和局部有非淹没刚性植被2种情况下的弯道水流流速场进行了测量,得到了水流沿程各断面的三维流速和紊动能分布,对2种情形的试验资料进行了比较．结果表明：植被的存在使得弯道流速重新分布,水流内部结构发生明显改变．基于等效阻力系数法,采用水深平均模型对局部非淹没刚性植被水流进行了二维数值模拟,计算结果与试验数据基本一致,表明该数值格式能预测弯道植被水流的特性．     

非浸没式刚性植被群分布对弯道水流的影响

为分析不同刚性非浸没式植被群分布对弯道水动力特性的影响,采用180°U形折叠往返式水槽模拟天然弯道河流,运用声学多普勒流速仪(ADV)进行测量,通过测量数据计算弯道水流水位、纵向流速分布、湍流动能(TKE)、环流强度以及弥散系数等.结果表明:植被存在情况下水位增高,在植被的"阻滞"作用下,植被区的流速远小于非植被区的流速,但在植被区域和非植被区域之间产生大的流速梯度;植被和弯道都会加剧水流紊动效应,植被区和非植被区交界处的湍流动能最大,且沿弯道出现湍流动能的重分布现象;由于植被对于弯道环流有阻碍作用,使得弯道环流在非植被区很强,而在植被区很弱;植被对横向弥散系数影响较小,非均匀植被对纵向弥散系数影响较大.     

二维孔口紊动射流流场特性的实验研究

对一定水深下的孔口射流流场进行了一系列测试，研究了轴对称流动下轴心流速衰减和横断面上流速分布等特性，并总结归纳出其变化规律。     

明渠湍流中的主要相干结构模式

利用自主开发的高帧频明渠湍流粒子图像测速(PIV)系统测量了3种Reynolds数下的恒定均匀流时间序列流场,运用本征正交分解能够给出数据集的最优模态的特性,分析了明渠湍流的主要相干结构模式及其能量关系。湍动能主要集中在少数几个低阶模态上,第1阶模态含有约30%以上的湍动能。Q2(Q4)事件是明渠湍流中除平均流动外含能最多、最主要的大尺度结构,湍动能主要通过Q2(Q4)事件向其他结构传递。它并不完全是发夹涡群诱导的结构,相反从能量的角度来看,发夹涡群的产生与维持与它有关键关系。Q2(Q4)事件可能存在大范围独立维持的大尺度机制。同时本征正交分解(POD)技术成功提取了发夹涡群结构,流向范围达到约3.4h,垂向尺度从交叠层一直到水面附近,整个结构与壁面呈约10°夹角。发夹涡群载有约23%的平均湍动能,并主要集中在处于对数区的中间部分。其他含能较少的大尺度结构有水面涡旋、单双涡结构、独立涡包等。     

单液滴在射流场中的形变及破碎实验研究

在射流场中对自由上升单液滴的形变和破碎过程进行了研究。采用高速摄像技术拍摄记录液滴的初始形状、上升速度、进入射流场后的形变破碎等现象,运用粒子图像测速(PIV)技术研究了射流场的流场情况。通过改变液滴初始粒径大小、入射位置、射流速度等参数考察了在不同射流速度下液滴在流场中的形变破碎过程。结果表明,液滴在进入射流场后会发生3个尺度的形变过程,随后会发生从生成子液滴数为两个至多个不等的二元破碎至多元破碎现象;液滴一次破碎位置随流场剪切力而变化,主体破碎区域为射流场的中间部分;液滴在射流场中生成的子液滴数量会随入射流量、入射位置和母液滴粒径的改变发生变化。     

新疆伊犁谷地重塑黄土抗拉强度试验研究

为研究伊犁黄土抗拉强度变化特征及拉张裂缝形成过程,采用自行研制的土体拉伸强度测定仪,并借助粒子图像测速(PIV)系统、核磁共振(NMR)技术及扫描电镜(SEM),对不同干密度、不同含水率的伊犁重塑黄土进行室内试验.结果表明:重塑黄土抗拉强度与含水率和干密度密切相关,随着含水率的下降,黄土抗拉强度呈上升趋势,且存在一个界...     

基于光流法的粒子图像测速

以对粒子图像测速为目标,使用光流场针对数字图像建立整体光流模型,计算出粒子图像各像素点的速度场。对比不同粒子条件下的速度场从而获得符合光流法测试的粒子图像。采用了基于微分方程的Lucsa-kanade光流场计算方法,对流场显示进行定量化测速,实现对了流场的瞬态测量。光流法应用于粒子图像测速技术中,可用于速度场计算,也可用于修正原有的互相关算法得到的错误矢量。     

浸没式植被对异重流运动特性的影响

为研究异重流流经浸没式植被时的运动特性,以天然河道中的植被为原型,对植被环境中异重流的运动规律进行了试验研究,并采用异重流头部(最前缘)速度代表其运动速度.研究结果表明,异重流流经短植被群(长度30 cm、高度3 cm)时大部分异重流在植被顶部向前运动,流过植被后依然保持典型轮廓,呈现一个先加速、后匀速、然后迅速减速、最后缓慢线性减速的运动过程;流经长植被群(长度80 cm、高度6 cm)时大部分异重流被阻挡于植被后方,仅有少部分异重流流出植被后缓慢向前运动,呈现先加速、后匀速、然后迅速减速、最后缓慢运动的过程.异重流运动过程分为坍塌阶段和自相似阶段,植被的阻挡效应可以减小坍塌阶段向自相似阶段的转化点,并且转化点与植被阻挡效应呈负相关,但与异重流浓度关系不显著.异重流与环境水体掺混界面涡度值为正,与水平底床界面涡度值为负;当植被的阻挡效应较强时,异重流流出植被后掺混和卷吸作用较弱,且出流量与异重流浓度呈正相关.     

利用PIV技术对水平携带床内气流分布速度的研究

为研究氩气流在水平携带床热解管中的运动,设计了水平携带床透明冷态模拟装置.以油雾粒子为示踪粒子,利用PIV技术对示踪粒子在水平携带床管内的速度分布和加速距离进行了实验研究,并对管内气流的速度分布进行了分析.研究结果表明,油雾粒子加入管道后的加速距离约为400mm,在大于400mm的区域内已经较为稳定,速度变化很小;气流在进入管内400~600mm时,处于过渡段的后期或已经进入稳定段.     

静电分离器中电流体流场可视化研究

采用粒子成像测速技术(PIV)对线-板式静电分离器中微米级别油滴(2μm)的流动特征进行可视化研究,得到在充分发展的层流条件下(进口气流流速0.16 m/s)电流体随施加电压变化的典型流型及速度分布。结果表明:电流体流型和速度的分布随着施加电压的改变而变化;在外加电压低于起晕电压(小于8 kV)时,流场没有明显变化;随着电压的升高(8～12 kV),放电电极附近及分离器的下游油滴在静电力的作用下以喷嘴的形式向两个收集电极移动,径向运移速度和放电电极上游轴向速度随电压升高而升高;当施加电压大于12 kV时,在放电电极上游电流体二次流以两个对称的反向旋转涡的形式出现,涡的大小随着电压的升高而增大,径向运移速度最高可达0.4 m/s,同时在静电分离器下游出现回流,二次流和回流的出现阻碍了流体沿轴向运移;分离效率随着施加电压的增大而增加。     

微小型泵内粘性流动的试验与基础研究

为了对垂直转子微小型泵的内部粘性流动规律进行深入研究,根据偏置于两平板间的转子两端剪切力不平衡的原理,设计了一种偏置式垂直转子微小型泵,并利用粒子成像测速(PIV)技术对泵体内部的粘性流动进行了可视化量测。根据N-S方程对微小型泵的内部粘性流动进行了数值模拟计算。两种方法均得到了泵体内部的流线分布、泵体出口端面的平均速度和体积流量与Reynolds数的关系曲线。比较和分析结果表明:当Reynolds数小于100时,泵体出口端面的平均速度、体积流量与Reynolds数基本成正比关系;随着Reynolds数的减小,流体的粘性作用相对增大,垂直转子微小型泵可对流体进行更加有效的输送。     

偏置式垂直转子微小型泵内的黏性流动

为研究垂直转子微小型泵的内部黏性流动,根据偏置于两平板间的转子两端剪切力不平衡的原理,设计了一种偏置式垂直转子微小型泵,并利用粒子成像测速(PIV)技术对泵体内部的黏性流动进行了可视化量测。根据N-S方程对微小型泵的内部粘性流动进行了数值模拟计算。用这2种方法均得到了泵体内部的流线分布、泵体出口端面的平均速度和体积流量与Reynolds数的关系曲线。比较和分析结果表明:当Reynolds数小于100时,泵体出口端面的平均速度、体积流量与Reynolds数基本成正比关系;随着Reynolds数的减小,流体的黏性作用相对增大,垂直转子微小型泵可对流体进行更加有效的输送。     

利用PIV测量水煤膏雾化粒径的试验研究

建立了垂直式水煤膏雾化试验装置,采用PIV(particle image velocimetry)及二次开发的图像处理软件对水煤膏雾化特性进行了测量,分析了水煤膏雾化颗粒测量的影响因素。PIV测量技术不仅可以用于流场测量,通过对PIV图像的二次处理还可以用于颗粒粒径的测量,为进一步研究水煤膏喷嘴的雾化性能提供了坚实的基础．结果表明,随着气膏质量比的增加,雾化平均粒径降低．当气膏质量比大干0．6时．雾化颗粒质量平均粒径降低的幅度很小．     

涡轮叶栅非定常流动的PIV实验

利用激光粒子图像测速仪(PIV)测量沿叶高平面和叶栅出口速度场的整场信息.实验中,将模拟动叶的圆柱列沿周向依次移动1/4节距,进行叶高平面速度场的测量,查看圆柱尾迹对下游叶栅影响的整场情况;同时研究在不同的相对叶高下,叶片顶部和根部的二次涡会合、脱离情况.研究发现:在较小的相对叶高下叶栅出口二次涡汇合,强度较大;而在较大的相对叶高下二次涡分离.同时,当上游圆柱的相对位置变化时,叶栅流动最高效率对应着圆柱尾迹被输运到下游静叶的前缘附近,最低效率对应着圆柱尾迹被输运到下游静叶的流道中央.     

Experimental Investigation of Turbulent Shear Flow by PIV

ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆＴｕｒｂｕｌｅｎｔＳｈｅａｒＦｌｏｗｂｙＰＩＶ＊ＸｕＨｏｎｇｑｉｎｇ（许宏庆）,ＷｕＪｉａ（吴嘉）ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｃｓ,ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉ...     

Analysis of rotor eddy current loss and thermal deformation of magnetic liquid double suspension bearing

Magnetic-liquid double suspension bearing(MLDSB)is a new type of suspension bearing based on electromagnetic suspension and supplemented by hydrostatic supporting.Without affecting the electromagnetic suspension force,the hydrostatic supporting effect is increased,and the real-time coupling of magnetic and liquid supporting can be realized.However,due to the high rotation speed,the rotor part produces eddy current loss,resulting in a large temperature rise and large ther-mal deformation,which makes the oil film thickness deviate from the initial design.The support and bearing characteristics are seriously affected.Therefore,this paper intends to explore the internal effects of eddy current loss of the rotor on the temperature rise and thermal deformation of MLDSB.Firstly,the 2D magnetic flow coupling mathematical model of MLDSB is established,and the eddy current loss distribution characteristics of the rotor are numerically simulated by Maxwell software.Secondly,the internal influence of mapping relationship of structural operating parameters such as input current,coil turns and rotor speed on rotor eddy current loss is revealed,and the changing trend of rotor eddy current loss under different design parameters is explored.Thirdly,the eddy cur-rent loss is loaded into the heat transfer finite element calculation model as a heat source,and the temperature rise of the rotor and its thermal deformation are simulated and analyzed,and the influ-ence of eddy current loss on rotor temperature rise and thermal deformation is revealed.Finally,the pressure-flow curve and the distribution law of the internal flow field are tested by the particle image velocimetry(PIV)system.The results show that eddy current loss increases linearly with the in-crease of coil current,coil turns and rotor speed.The effect of rotational speed on eddy current loss is much higher than that of coil current and coil turns.The maximum temperature rise,minimum temperature rise and maximum thermal deformation of the rotor increase with the increase of eddy current loss.The test results of flow-pressure and internal trace curves are basically consistent with the theoretical simulation,which effectively verifies the correctness of the theoretical simulation.The research results can provide theoretical basis for the design and safe and stable operation of magnetic fluid double suspension bearings.     

钝体冷态流场的PIV实验研究

运用PIV技术在风洞中分别对5种不同形式的钝体：标准钝体、三角形钝体、流线形钝体、带通道钝体及非流线形钝体在冷态工作环境、不同缝宽下,获取了钝体后的速度分布.对比了5种不同钝体在不同缝宽下回流区长度的变化,认为随开度增大,在回流区结构不遭到破坏的前提下,回流区长度加大.同等条件下,非流线形钝体有最大的回流区长度;通过对尾迹区域的平均湍流动能的分析,认为平均湍流动能的强度随缝开度加大开始减弱,湍流强度最大的区域逐渐后移,最终往回流区的上下边界发展.通过对钝体后的尾迹结构和流动特性进行分析,为热态实验奠定了基础.