基于PIV试验的水介质液力偶合器涡轮流场仿真评价

为揭示水介质液力偶合器涡轮流场的特征及演化规律,基于计算流体动力学(CFD)技术,采用4种湍流模型(DES、DDES、IDDES、LES)仿真制动和牵引工况下的涡轮流场结构.通过粒子图像测速(PIV)试验,采用静态、动态图像标定方法实测涡轮流场图像.通过PIV流场试验结果与CFD仿真结果的对比评价4种湍流模型的适用性.结果表明:制动工况下,LES模型对主流区域多尺度漩涡流场结构的仿真结果趋于真实,流速为3. 52～3. 81 m/s,涡量为480～540 s-1; IDDES模型对叶片近壁面区域流速场的仿真表现卓越,流速为3. 14～3. 51 m/s,而DES模型对该区域内涡量场的仿真较好,涡量为500～570 s-1.牵引工况下,DDES和IDDES模型的仿真结果失真; DES模型对主流区域漩涡流场结构的仿真效果不如LES模型,但是能够体现多尺度涡旋沿圆周方向运动的基本趋势; LES模型的仿真结果与PIV试验结果吻合,能够体现沿圆周方向运动的多尺度涡旋之间的相互混合作用,流速为1. 40～3. 60 m/s,涡量为30～130 s-1.研究结果可为精确仿真液力偶合器涡轮流场提供一定的技术指导.     

液力变矩器泵轮内部流动PIV测试与分析

为了能够设计出性能优良的液力变矩器,合理利用内部流动规律来提高效率,更好地分析其内部流动情况,利用有机玻璃来制作液力变矩器的模型,进而增加模型的透明性,实现液力变矩器泵轮内部流动的可视化,采用激光粒子测速技术(particle image velocimetry,PIV)对液力变矩器泵轮内部流场进行测试.针对不同工况下的液力变矩器泵轮内部流场进行试验,采集了其内部流场在制动工况(i=0)、牵引工况(i=i*)和空载工况(i=1)的径向和轴向的流动二维图像,并作了定性分析.结果表明:通过采集的图像可清晰地看到代表液流流动的示踪粒子的速度大小和方向;利用PIV测试技术测量液力变矩器内部流场是可行的.     

内燃机燃烧室流场PIV测试中示踪粒子跟随性分析

从紊流理论出发,对处于紊流流场中的示踪粒子进行受力分析,根据粒子图像测速(PIV)中的实际要求与BBO(Basset-Boussinesq-Oseen)方程的不同,建立了紊流流场中示踪粒子的模型;推导出适应内燃机燃烧室流场PIV测试的示踪粒子跟随性计算公式,得出在该买验条件下,示踪粒子直径小于19．2μm时,PIV测试会取得较好结果。     

动态调速工况液力偶合器瞬态流场PIV试验

为了分析大功率液力偶合器在调速工况中能容下降、效率降低及输出特性失稳等问题产生的原因,建立了液力偶合器内/外特性同步测试试验台,采用PIV(粒子图像测速)流场测试的方法分析动态调速工况下偶合器涡轮内部瞬态流动特性.将动态调速与对应稳态工况在径向/轴向切面的流场测试对比,结果表明:在环流转换的调速过渡区间内,受气相的干扰流道中部出现较大的低速区,与对应稳态工况流场差别较大;在额定工况附近及其他调速工况点,速度流场变化趋势与稳态工况相当;随着动态调速工况转速差的增加,在轴向切面内显示多尺度气泡弥散在液相中并随着液体质点做螺旋运动,在涡轮入口吸力面附近逐渐出现大面积的低速区且其分布区域逐渐增大,最终在速度梯度较大的涡轮入口靠近吸力面处形成主漩涡.     

实体模型表面流场、河势测量中图像技术应用研究进展

介绍了粒子图像测速技术(PIV)引入水流研究的历程,结合近10年来图像技术的应用及发展情况,讨论了将图像技术应用到流场及河势测试中的图像识别、边缘检测等关键问题的研究进展,并对相关的测试理论进行了探讨.指出,对河工模型表面流场测量中的图像畸变矫正、示踪粒子在三维水流中的跟随性、浑水条件下表面流场的测量以及河势的实时自动提取方面还有待进一步深入研究,将图像技术获得的流场、河势信息与数值模拟相结合实现实时混合模拟是今后的研究方向.     

巷道调节风窗流场PIV测试

为解决井下调节风窗流场测不准的问题,采用粒子图像测速仪(PIV)测速的方法,对巷道调节风窗流场进行实验测试研究.研究结果表明:瞬态流场有复杂的漩涡结构,且速度随时间不断发生变化,但基于统计平均的时均流场呈现出较规则的分布结果,调节风窗前巷道风流速度呈平滑直线分布,调节风窗后隅角存在一个规则而完整的贴近壁面的回流区.传统的接触式定点流速测量技术因自身精度限制导致不能真实反映井下瞬态流场分布特征,而PIV测速技术能够实现非接触全流场瞬态速度测量,可作为研究矿井通风调节风窗及其它较为复杂风流流场的实验测试手段.     

基于互相关算法的粒子图像测速技术

对PIV（particle image velocimetry，粒子图像测速）技术的原理进行了详细的介绍。采用互相关算法，自行开发了一套图像处理软件，对粒子图像进行分析，提取速度场。以正方形容器内的旋转流场为例，用计算机模拟检验了此软件的可靠性与高效性，并利用PIV技术对内燃机缸内压缩流场进行测量，对PIV技术应用于气流测试进行了有益的探索。结果表明，互相算法可以有效地进行粒子图像识别，通过所开发的软件可以精确获取速度场。     

改进PIV技术在测量搅拌槽内流场中的应用

简化了粒子成像测速技术(PIV)的数据采集系统,通过AUTOCAD的二次开发,改进了PIV的图像处理.降低了成本,提高了测量精确度,并使之能适用地大尺寸、流质透明度较差的搅拌槽体系的流场测量.将改进PIV技术应用于搅拌槽内质量分数为0.6%CMC水溶液和清水流动场的测量,粒子图像清晰、数据准确可靠.     

电动微流体显微粒子图像测速误差修正方法

在电动微流体粒子图像测速技术中,示踪粒子的电泳运动是影响测量不确定度的主要因素之一．采用电流方法和粒子图像跟踪技术相结合,测量流体的平均电渗淌度和示踪粒子运动淌度,计算粒子的电泳淌度,据此对显微粒子图像测速结果进行修正．实验测量了直径为520nm的聚苯乙烯示踪粒子在20mmol／L硼砂缓冲液中的电泳淌度,对水力直径小于20μm的锥形微管道Micro-PIV测量流场进行了修正．实验结果表明,修正后的流场速度与数值计算结果一致,该方法可以较好地消除示踪粒子电泳运动对Micro-PIV测量结果的影响．     

管道风流PIV实验中示踪粒子特性

为选择适合巷道风流PIV实验的示踪粒子,以6种不同物理属性的固体微粒为实验粒子,利用PIV系统采集管道突扩模型下隅角附近的粒子图像.用粒子图像的曝光度、信噪比及处理后得到的矢量、流线图来反映粒子的光学和动力学特性.研究结果表明:粒径是影响示踪粒子跟随性、散射性、均匀性和信噪比的主导因素;粒径越小,粒子跟随效果越好而散射性和信噪比越差;当测试区域较大时,示踪粒子适宜的粒径范围为0.2~2μm,可选择光扩散剂或二氧化硅;当对流场细节要求较高时,可选择粒径0.2μm以下的祭祀燃香烟雾粒子.     

3D3C尾流场PIV测量重构和空间分布研究

以一艘缩尺比为1/45的具缓和U型尾部载重7.6×10~4t的巴拿马散货船模型为研究对象,应用随车式水下二维三速度分量体式粒子图像测速(2D3CSPIV)系统进行了三维空间尾流场试验测量与机理研究.通过多个二维(2D)切面扫掠式粒子图像测速(PIV)系统获取了多个切面的二维三速度分量(2D3C)流场数据,应用多个切面的流场数据进行了三维三速度分量(3D3C)尾流场的空间重构,重构后的体空间测量区域为长×宽×高=300m×320mm×280 mm的长方体区域.基于重构后的空间尾流进行了详细的无量纲轴向和无量纲平面速度的空间分布特性分析,之后对尾流场旋涡结构和流线的空间分布进行了分析.测量得到的3D3C尾流场数据可以为更好地理解船体尾部漩涡和湍流结构提供依据,为螺旋桨和船后水动力附体的适应伴流设计提供数据支撑.     

内燃机缸内流场测量示踪粒子的选取与供给

为了了解内燃机缸内流场状况，研究了使用激光粒子图像PIV测量技术时示踪粒子的选取原则和添加方法，介绍了自行研制的带有Laskin喷嘴的新型粒子添加装置及其在实际发动机缸内流场测量中的具体应用．结果表明，该装置可以产生粒径均匀的液态示踪粒子，这些粒子具有良好的跟随性和光散射特性，所得的PIV测量结果比较理想．     

面向典型微流控芯片的流场测速技术研究

介绍了微流体流动特性测试技术的发展和应用概况,选用激发光源、荧光显微镜和高精度CCD摄像机等建立了显微粒子图像测速装置,用于测量微流控芯片内部电渗流流动特性,并给出显微成像单元、激发光源、示踪粒子的技术指标和适用范围．根据微流控芯片的特征尺寸和内部电渗流速度．分析了应用显微粒子图像测速技术测量微流场速度分布的测量分辨率、测量精度、测速范围等关键问题．研究结果表明：在电场强度100V／cm、宽度50μm的玻璃微通道内,硼砂电渗流速度约为220μm／s,放大倍率低于40倍,MicroPIV动态测速范围能满足流场测速要求;选用直径．300nm的荧光粒子,在高于10倍放大倍率下,粒子像大干3个CCD像元的尺寸,可以进行观测;MicroPIV测速系统的测速精度则与光学系统、图像处理技术、电场力、布朗运动等有关系．     

微通道内流的微尺度粒子图像测速技术实验研究

采用微流动粒子图像测速技术Micro-PIV对0.4~0.8 mm的方形截面微通道流场进行了研究.实验选取3μm的荧光染色微球作为示踪粒子,使用532 nm激光、12位灰阶电荷耦合器件(CCD)相机及10倍显微物镜得到粒子图像.通过背景噪声处理技术提高了图像信噪比,并采用系综相关及回归算法得到了微通道截面的速度分布,测量的空间分辨率达到23.68μm×23.68μm×15.64μm.为了消除壁面随机粗糙分布的影响,采用沿流向进行空间平均方法得到了充分发展的方形截面微通道速度分布.将测量结果与方形截面理论幂函数速度廓线进行比较发现:微通道近壁区流场受到扰动的强弱和流道尺寸直接相关,除近壁区外的大部分区域速度分布与矩形截面流道理论速度分布符合良好.     

圆形截面管路内PIV流场测量的直接校正方法

为修正圆形截面管路内PIV（粒子图像测速）流场测量中的图像畸变,建立了一种基于光学原理的直接数值校正方法.该方法不受流体饱和温度限制,可对坐标和速度矢量进行同步校正,壁面附近的光学畸变也能够进行较好还原,同时不需要额外的辅助设备.采用Fortran语言编制了通用的计算机代码,只需改变程序相关输入参数,即可应用于其他条件下的图像校正.使用方形规则化网格对其进行了验证,误差不超过3%.对于双层圆形管壁内低温气液两相流动的PIV流场测量实验,该方法能够给出满意的校正结果.
     

突扩巷道模型内流场的PIV实验

为改善实验方法,推进矿井通风基础理论研究,将粒子图像测速技术(PIV)引入矿井通风研究领域。介绍了PIV的工作原理、系统组成和示踪粒子的选取原则。以粒径为0. 2～2μm的光扩散剂做示踪粒子测试了巷道突扩模型内的流场结构。结果表明,井巷风流遇断面突扩后会产生大范围的回流,同时在主流与回流区之间会产生小尺度的二次涡系,即回流区为多涡并存的情况,主流与各尺度涡间产生激烈的能量交换造成能量损失;二次涡系形成的区域风流极度紊乱,影响风速测试;整个回流区明显低于主流流速,有毒有害气体和粉尘可长期滞留在涡旋内形成安全隐患。实验表明,与传统的单点接触式测量方法相比,PIV可以获得更多的湍流流动细节,有助于人们更加深入的认识井巷内气体流动的本质。     

偏置圆速粒子图像测速法原理研究

研究了一种三维粒子图像测速技术－－偏置圆速粒子图像测速法,根据CVB－PIV采集粒子影像曲线基本原理,对几种已知运动进行了实验研究,原理分析和实验结果表明CVB－PIV采用灰度图能够确定粒子的三维位置信息,获取粒子速度时间序列,而且不存在方向模糊性。     

气固两相射流瞬时速度场和浓度场的PIV研究

为深入了解气固两相流的瞬态特性,利用自行建立的粒子图像测速(PIV)系统对出口内径为10mm的气固两相自由射流流场进行了实验研究。将小粒子(粒径在1μm左右)和大粒子(粒径大约100μm)混合后,添加到气流中,应用PIV技术获得的图像,经处理后分裂成气相和固相两组PIV图像,通过数据处理后,得到了瞬时的气固两相速度场和固相浓度场的分布,同时对气固两相流动特性进行了分析,证实利用PIV技术可有效实现气固两相流的测量。     

应用粒子成像测速技术测量压力振荡器的瞬态流场

利用以两台大功率脉冲激光器为双脉冲光源的粒子成像测速 (PIV)技术 ,测定了驻波管型正弦压力振荡器二维振荡射流瞬态流场 ,对示踪粒子的跟随性进行了比较 ,分析了示踪粒子在流场中的浓度分布对成像质量的影响。实验结果表明 ,环形喷嘴射流与尖劈之间存在交错的、方向相反的旋涡是使整个系统产生流体自激振荡的原因 ,环形喷嘴与尖劈之间的距离对瞬态流场有明显的影响。由双脉冲激光作光源的PIV系统具有脉冲间隔调节范围宽、测量精度高等特点 ,非常适合于从低速到高速全范围的流场测量     

多时距PIV技术在复杂流场测量中的应用

采用一种多时间间距适配(多时距)的粒子图像测速(PIV)技术对静水与横流环境下的垂向圆管射流流场进行测量，对比分析了多时距PIV技术测量结果的可靠性，探究了静水与横流环境下垂向圆管射流的运动特性。结果表明，多时距PIV技术得到的测量结果能够精确反映射流在静水和横流环境中的时均特征和紊动特征，且其精度明显优于传统PIV技术所得到的测量结果。研究发现，多时距PIV技术可既方便又精准地测量视窗内速度变化大的流场。