水流作用下的群桩流场特性PIV试验研究

基于粒子图像测速技术(PIV)开展物理模型试验,对雷诺数Re分别为2400、6000、12000条件下,流向桩心距比为5、横向桩心距比为4时,3×3矩形排列圆桩群桩的局部流场特性开展研究。结果表明,中下游桩间与上中游桩间的流场特性存在显著差异,雷诺数对桩间流场变化影响明显。当Re为2400和6000时,上游中间桩后的尾流涡漩生成长度及回流区长度明显大于两侧边桩,Re为6000时现象更明显,而当Re增大至12000时此现象消失。受上游桩遮蔽作用,中游桩桩后的尾涡强度明显弱于前排桩,回流区面积随之减小。随着雷诺数增大,上游桩桩后尾涡生成长度、回流区尺度逐渐减小。此外,还分析了紊动强度与雷诺切应力在群桩内部平面上的分布变化。本研究以高桩码头桩基础为原型,分析群桩内部流场特性变化,研究结论有助于推进高桩码头泥沙冲淤变化机理的研究,提高高桩码头的安全评估能力。

基于粒子图像分割的混合PIV-PTV算法

粒子图像测速法(particle image velocimetry,PIV)因其非接触场测量的特性,已成为空气动力学领域的主要测量工具。复杂流动的速度场往往具有非均匀性,示踪粒子难以在待测空间均匀分布。因此,在应用PIV互相关算法处理粒子稀疏区时,需要采用更大的查询窗口以降低测量的不确定度,但会带来空间分辨率低的实际问题。而粒子追踪测速法(particle tracking velocimetry,PTV)追踪单个示踪粒子的跨帧位移,具有比PIV更高的空间分辨率,但难以适用于粒子浓度高的稠密区。针对PIV、PTV各自的优点,本文发展了一种基于粒子图像分割的混合PIV-PTV测速技术。首先定义了基于维诺多边形的粒子局部浓度量度,用以计算示踪粒子在粒子图像上的局部浓度场;其次通过设定的浓度阈值对粒子进行二分类,使用基于高斯核函数的支持向量机寻找出最优的分类边界,从而实现对粒子图像的粒子稀疏区和稠密区的划分;最后对两个区域分别使用PIV和PTV进行速度场计算,并合并为完整的速度场输出。仿真结果表明,上述方法可实现对粒子图像中的示踪粒子稀疏区和稠密区的自动划分,有效提高速度场测量的空间分辨率。将该方法应用在马赫数Ma=6的湍流边界层近壁测量中,可有效解决高速条件下粒子因强剪切难以进入边界层近壁区的问题,显著提高对近壁流动的解析能力。

基于PIV技术的非饱和膨胀土径向劈裂试验研究

非饱和膨胀土的径向劈裂强度与裂隙扩展之间存在密切联系,分析不同含水率下非饱和膨胀土的裂隙演化机制,对南水北调中线工程膨胀土渠段的工程灾害防治具有重要的理论意义和工程实用价值。联合运用WP4C仪、压力板和PIV(Particle image velocimetry,PIV)劈裂试验系统,对南水北调中线工程邓州段某高填方渠堤非饱和膨胀土进行了一系列的持水特性试验和劈裂试验,结合持水特征曲线,揭示了不同含水率膨胀土的劈裂强度、裂隙演化过程、位移矢量场的变化规律及其内在机理。试验表明:(1)膨胀土的含水率和饱和度均随吸力的增大而减小。在低吸力范围内膨胀土试样含水率和饱和度随吸力的增加而减小趋势缓慢;在高吸力范围内,含水率和饱和度与吸力基本呈线性关系,随吸力的增加,试样的含水率和饱和度显著减小。(2)含水率对膨胀土的劈裂强度具有显著影响。随含水率的增加,试样的劈裂峰值荷载呈先增加后减小的变化规律,劈裂峰值荷载在含水率为3%~12%范围内持续增加,而在12%~24%范围内持续减小;上述试验现象与不同含水率膨胀土试样具有不同的颗粒间液桥作用有密切的内在联系。(3)不同含水率下膨胀土劈裂试验荷载-位移曲线均可分为荷载接触阶段、荷载线性增加阶段、张拉破坏阶段和残余阶段。膨胀土劈裂试验不同阶段的裂隙、位移矢量场的变化规律与荷载-位移曲线变化之间存在着一一对应关系。

基于Tomo-PIV技术的螺旋桨三维强旋转流动的实验研究

流体机械以及水力发电过程中的流动通常是具有强旋流的三维空间流动,此类流动的实验测量具有较大的难度。本文以水下伺服电机搭载三叶螺旋桨产生强的三维强旋转流动为例,采用四台CMOS摄像机同步对流场进行拍摄,并利用搭载了目前国际上最先进的层析粒子图像测速技术(Tomo-PIV)算法的德国LaVision公司的软件Davis 10.2.0对拍摄得到的图像进行空间重构,得到瞬时的三维空间速度场。基于得到的速度场,对螺旋桨三维强旋流结构的瞬时特性和时均特性进行了深入分析,并从速度、涡量和压力的变化上阐述了流场结构变化特点,证明了Tomo-PIV技术具有很高的测量精度和实际应用意义,在流体机械流场测量和水力发电领域三维空间流场的精细测量有广阔的应用前景。

PIV空间分辨率对湍流多点统计量测量的影响

粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV),尤其是平面PIV,因其技术成熟且能提供瞬时流场,被广泛应用于湍流统计特性实验研究。PIV测量的空间分辨率(实验测量中所能解析的最小流场尺度,由图像处理时问询域窗口大小决定)不能准确分辨湍流中的小尺度运动,导致PIV测量获得的湍流多点统计量的定量信息(如速度结构函数、湍流耗散率等)包含一定误差。为定量分析这一误差,本文采用空间滤波模型模拟PIV测量对单点速度矢量的作用,进而推导出PIV测得的速度结构函数及湍流耗散率随滤波尺度的变化规律。为检验该模型,通过模拟示踪粒子在基于均匀各向同性湍流直接数值模拟(DNS)得到的湍流速度场中的运动及PIV系统对其的成像,获得了计算合成的PIV粒子图像,采用标准PIV算法对该图像进行处理,获得了速度场并计算得到了相关的湍流统计量,将其与基于真实DNS数据计算得到的统计量对比,获得了定量的误差信息,并与模型的预测结果进行了对比。研究结果表明:本文建立的模型反映了PIV测量中空间分辨率对湍流统计量的影响。在冯·卡门旋流系统产生的近似均匀各向同性流场中进行了平面PIV测量,针对测量得到的速度结构函数与K41理论结果的误差,采用基于本文模型得到的结论进行了分析与校正。本文工作为PIV测量得到的湍流统计量(尤其是小尺度多点统计量)给出了一个基于理论指导的修正方案。

基于粒子图像测速(PIV)技术的圆盘桨搅拌槽湍流动能耗散率研究

在边长L为220 mm的方形搅拌槽内,采用高解析率的二维粒子图像测速(PIV)技术在搅拌雷诺数Re=1300下对圆盘桨形成的流场进行研究,得到Kolmogorov尺度下的高解析流场。基于流场数据和各向同性假设得到湍流动能分布,并比较了直接定义法和大涡PIV法计算的湍流动能耗散率。结果表明:当离底高度C=0.15L时,圆盘桨的流型呈现出独特的单循环流型,流体主要旋涡为单旋涡结构;搅拌槽内湍流动能的最大值出现在桨叶排出流的末端;在Kolmogorov空间解析尺度下直接定义法计算得到的湍流动能耗散率大于大涡PIV法,并且湍流动能耗散率的峰值位于桨叶端和排出流区域。直接数值模拟的验证结果表明,这两种计算方法中使用的各向同性假设是合理的。

含淹没柔性水生植被群的弯道水流特性PIV试验研究

为了研究淹没柔性水生植被对弯道水流的影响,采用水槽试验的方法,在U形弯道水槽凸岸的25°和45°附近布置相同种类的塑料草模型植被群,设置植被密度分别为密集和稀疏2种工况,采用自动水位测量系统和粒子图像测速仪(PIV)等仪器分别测量了在不同工况下植被附近及U形弯道水槽内水流的流速和水位,研究不同密度(株数/m^(2))的柔性水生植被对水流运动规律的影响。同时,利用测量结果对水位变化、水流流速分布、横比降变化、水头损失、水力坡降等规律进行分析。试验结果表明,弯道凸岸的水流在不同植被密度下各个断面(25°、45°、60°、90°、120°、150°、180°)的流速大小变化均呈先下降后趋于平稳的趋势;凹岸的水流在不同植被密度下各个断面的流速大小变化情况差异较大,在60°断面密集植被的流速小于稀疏植被的流速,同时在150°断面大幅度上升后再下降并在弯道出口处大于稀疏植被的流速;植被群增大水头损失和水力坡降,其中密集植被群影响最大。

冲击波流场的PIV速度场修正算法研究

粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术是研究分析流动现象产生机制和物理规律的1种重要手段。针对击波管实验中产生的平面冲击波流场,开展了冲击波波阵面及波后速度场图像测量实验,设计并实现了1种结合高斯拟合亚像素与连续性方程的复合图像修正算法,利用该算法对实验原始数据进行了处理分析。结果表明:经本文所提出的算法修正后,波阵面前PIV速度场矢量信息连续,可显示出由于粒子不均匀而不能正确测量的区域信息,提高了速度场信息测量精度,该方法可有效修正存在强间断面的速度场中,由记录图像质量差、粒子播撒不均匀或流动跟随性差等问题带来的速度场计算偏差,为冲击波速度场错误矢量的检测与修正提供了1种简单高效的算法。

基于PIV/V3V技术的100 MW熔盐泵内部流动可视化测量

以100 MW等级塔式太阳能光热电站熔盐泵为研究对象,采用PIV/V3V技术对内部流场进行可视化测量,基于目前世界上最先进的体三维(3D3C)测量技术,构建体三维测量系统和测试平台,设计了100 MW等级光热电站熔盐泵缩放0.5倍模型泵。基于自主专利技术的三维体流场测试标定方法,首次得到100 MW熔盐泵叶轮流道内部三维流场结构,并提取了叶轮单流道S2流面体内部和涡量值,通过对叶轮流道内速度分布与涡量分布进行分析,发现在偏工况运行时,叶轮流道内发生了更为明显的分离涡现象,三维可视化测量结果与设计要求吻合。

PIV及PSP技术在大飞机风洞试验中的综合应用

在FL-61风洞中,对高频粒子图像测速(particle image velocimetry, PIV)试验系统在真实风洞环境中的速度场测量精度进行了试验研究,结果表明在30~280 m/s范围内,PIV试验系统测量精度优于1%。以不同厚度和粗糙度的聚酰亚胺不干胶薄膜模拟模型表面PSP涂层,研究了压力敏感涂层(pressure sensitive paint, PSP)对测力测压数据的影响,结果表明将涂层厚度控制在0.03 mm以内可有效降低涂层对测力测压数据的影响。在FL-62连续式跨声速风洞中使用民机校验模型,进行了两种技术的综合应用研究,采用极短时间间隔的错时采集技术,实现了PIV技术与PSP技术的准同步综合化应用,获得了大飞机模型机翼上表面空间流动速度场及机翼表面压力分布。

基于PIV技术的高速空腔流动演化特性研究

空腔结构在高速来流条件下会产生复杂流动和高强度噪声,严重影响飞行器的气动特性和结构安全。采用粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术和动态压力测量相结合的方法,对长深比为3~10的空腔在来流马赫数0.4~0.8状态下的流动噪声特性开展试验研究,着重分析了空腔长深比和来流马赫数对腔内流场结构的影响,揭示了空腔噪声强度与腔内流动的关联性。结果表明:随着长深比增大,腔内剪切层厚度迅速增长并向腔内扩张,与空腔的撞击位置由后壁下移至底面,腔内流体由开式流动向闭式流动转变;来流马赫数的增大会抑制剪切层向腔内发展,诱导主回流旋涡后移,使得流体趋于开式流动;腔内后壁总声压级的幅值与流体撞击后壁时的流向速度正相关。

基于高速摄像与PIV技术的喷丸丸粒运动特征研究

喷丸作为一种重要的金属表面机械处理工艺,其加工质量与固体丸粒在高速气流作用下的运动规律密切相关。探究一种精确可行的喷丸丸粒速度测量方法,明确喷丸丸粒流的空间散射特征和速度场分布特征,对于优化喷丸工艺参数至关重要。基于高速摄像机,搭建了喷丸丸粒运动高速图像数据采集系统,捕捉喷丸中丸粒的瞬时空间位置变化特征。采用Photoshop图像处理软件对采集的照片进行预处理,获得具有高对比度的丸粒流黑白二值化图片。使用开源的粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)软件PIVLab对丸粒流图像进行数据处理,获得喷丸丸粒流的速度场结果。结果表明,在喷气压力为0.4 MPa,采用0.4 mm铸钢丸粒条件下,丸粒流的散射锥体倾角为10°,丸粒最大运动速度约为46.5 m/s。在不同的空间截面上,丸粒运动速度呈现高斯分布特征,且其标准差随丸粒与喷嘴之间的距离增大而增大。丸粒在离开喷嘴后速度迅速增长至稳定值,速度变化符合Logistic函数特征。与经验公式相比,所得到的丸粒速度场分布公式更加准确,且能体现丸粒的空间分布特征。

基于高频PIV的风力机叶尖涡初始涡量值演变规律研究

基于风向变化对于叶尖涡初始涡量值影响的敏感性至今仍不清楚,及偏航工况下其随来流风速和叶片转速变化的演变规律仍未被掌握的研究背景,以直径为1.4 m的小型水平轴风力机叶片为研究对象,利用高频PIV针对性地监测不同工况条件下叶尖涡的初始涡量值,细致分析叶尖涡初始涡量值随风向、风速和叶片转速变化的演变规律。研究发现:当偏航角为0°和20°时,叶尖涡初始涡量值随叶尖速比的增大近似呈线性规律,而当偏航角介于上述区间时,变化趋势会呈明显下凹的二次曲线形式。相关理论成果的揭示对于叶片气动载荷变化机理的深入诠释以及其气动性能优化方案的掌握具有较有益的参考价值。

基于PIV/PTV的平板裂缝支撑剂输送试验研究

为了解水力压裂过程中水力裂缝内支撑剂的铺置规律,基于平板裂缝开展了支撑剂输送试验,分析了泵注排量、压裂液黏度、注入位置、支撑剂类型对支撑剂铺置过程的影响;运用PIV/PTV技术,测试了压裂液-支撑剂两相运动速度,从颗粒运动角度分析了不同因素对最终砂堤形态的影响。试验发现:平板单缝内支撑剂铺置存在“裂缝前端先堆积至平衡高度,再稳定向后端铺置”和“砂堤整体纵向增长,稳定向后端铺置”2种典型模式,2种模式可以在泵注的不同阶段出现并转换;砂堤不同位置形态主控因素存在差异,注入位置与排量主要控制前缘形态,黏度与排量主要控制中部形态,黏度主要控制后缘形态;在裂缝远端,支撑剂沉降存在“回流式”和“直接式”2种模式,前者受涡流控制,后者则仅依靠重力沉降;现场施工时可考虑“定向射孔+大排量中高黏70/140目石英砂(主体支撑剂)+40/70目陶粒架桥+大排量中高黏70/140目石英砂长距离输送+排量尾追40/70目陶粒”,兼顾缝长方向远距离铺置和近井地带裂缝与井筒的高连通性。平板裂缝内支撑剂运移与铺置规律试验结果可以为页岩储层压裂主裂缝内支撑剂高效铺置及储层改造工艺参数优化提供参考。

基于PIV试验的积雪平屋面风场特性研究

为研究屋盖积雪对低矮平屋面风场特性的干扰影响,基于风吹雪风洞试验,通过3D打印获得平屋面的3D积雪形态,并以无积雪模型作为对照,系统地开展了PIV (particle image velocimetry)风洞试验,并结合LES(large eddy simulation)方法,研究了6组平屋面建筑有无积雪时的流场分布特性.试验研究表明:当无积雪时,来流在屋面前缘处分离后能形成典型的分离泡流动,分离泡内速度场存在明显逆流现象;当有积雪时,屋面上方的逆流减弱甚至消失,积雪显著地加快了流经屋面附近流场的速度,其最大速度增量约为0.6,同时,流线分布更贴合模型壁面,速度梯度增大,也相对增大了涡量值;积雪会使得屋面上方整体的时均湍动能和切应力均减小,但对屋面迎风区域的平均和脉动风压均有增大作用,其增大比值约为15%和20%.通过该研究可进一步对低矮建筑的风雪荷载作用机理展开分析,为屋盖结构的抗风雪设计提供参考.

基于PIV技术的冲刷条件下桩-土水平变形机制

桩基通常深埋地下,岩土体内桩-土水平变形难以通过现场试验观测。为研究水平荷载作用下桩-土变形机制,考虑桩身抗弯刚度、土体密实度和冲刷坑尺寸等因素,基于粒子图像测速(PIV)技术在砂土中开展了一系列单桩水平加载模型试验,获得了桩侧土体位移、应变分布发展规律,并讨论了柔性桩和刚性桩的水平桩-土相互作用模式,及局部冲刷对水平桩-土相互作用的影响。结果表明:(1)水平荷载作用下桩侧土体的位移和剪应变均是沿着水平和深度方向逐渐发展变化,因此现有桩基水平受荷分析的应变楔模型中整个应变楔内土体应变均匀发展的假定需要修正;(2)桩身水平位移第一零点以上的桩前土体被动受压区和桩后土体主动施压区是主要的桩-土相互作用区,但对于刚性短桩第一零点以下的桩-土相互作用不可忽略;(3)桩侧冲刷坑底部以上冲刷土层对降低桩-土变形仍可起到一定的作用。

明槽支流交汇区水动力特性PIV试验研究

针对低流量比条件下明槽干支流交汇支流汇入区水流结构十分复杂的问题,基于物理模型试验的方法,采用PIV粒子图像测速技术观测不同交汇条件下明槽支流时均流速及三维流速空间分布,分析支流流场的变化特征。结果表明,汇流比较小时,由于干流水体的顶托作用,支流表层水体会出现不同程度上的回流现象,底层水体顺流汇入干流,且有较为明显的斜向混合界面;随着汇流比的增大,干流对支流左岸水流结构影响逐渐减小。在交汇角为30°、90°时,靠近支流右岸的水流结构受干流水体顶托作用影响最大;在交汇角为150°时,支流基本处于回流状态,交汇口处形成最大回流流速区。研究结果可为库区支流营养盐富集导致水华频发等研究提供理论支撑。

前混合水射流中丸粒速度的数值模拟与PIV试验研究

前混合水射流中丸粒速度是决定混合射流性能的关键因素。采用CFD-DEM双向耦合方法构建了混合射流的三相仿真模型,气液相采用VOF模型并考虑离散相体积分数的影响,丸粒固态相采用拉格朗日坐标下的离散元方法进行建模,通过专用的耦合接口实现双向耦合,得到丸粒在出口确定位置范围内速度仿真值。通过专用的PIV试验台测出相应位置丸粒的速度值。通过对比,仿真结果与测试结果的差值在6%以内,证明了仿真模型的正确性。研究结果表明,喷嘴入口压力和喷嘴出口直径越大,丸粒速度越大;混合比(丸粒体积分数)、喷嘴长度和喷嘴锥角越大,丸粒速度越小,对后续制定改性工艺方案提供了理论基础。

基于术前PIV、NLR和CEA水平对胃癌根治术后预后列线图预测模型的构建及评价

目的:基于术前泛免疫炎症(PIV)、中性粒细胞与淋巴细胞比值(NLR)以及癌胚抗原(CEA)水平探讨胃癌根治术后预后的影响因素并建立列线图预后预测模型。方法:回顾性分析2016年03月至2019年11月在徐州医科大学附属医院普外科行胃癌根治术的384例胃癌患者的临床病理资料,采用受试者工作特征(ROC)曲线分析术前PIV、NLR、CEA水平预测总生存期(OS)的最佳截断值,并根据PIV的最佳截断值进行分组。采用χ^(2)检验分析不同PIV水平与患者临床病理特征的关系。使用Kaplan-Meier法和Log-rank检验分析不同临床病理特征对患者OS的影响,多因素Cox回归分析患者预后的独立影响因素。使用R4.1.1软件绘制胃癌根治术后患者1、3、5年OS的列线图预测模型,并评价预测模型的效能,然后使用X-tile软件根据列线图风险得分将该模型分层进一步探讨该模型的临床应用价值。结果:ROC曲线分析结果显示,PIV、NLR、CEA曲线下面积(AUC)分别为0.627、0.584、0.590,最佳截断值分别为236.8、1.98、4.93 ng/mL。PIV与年龄、肿瘤最大直径、肿瘤浸润深度、淋巴结转移、TNM分期、神经或脉管侵犯、术前NLR水平相关(P<0.05)。多因素Cox回归分析显示,年龄、肿瘤浸润深度、神经或脉管侵犯、PIV、NLR、CEA为胃癌根治术后患者1、3、5年OS的独立影响因素(P<0.05)。构建包含以上独立危险因素的列线图预测模型,模型内部验证一致性指数(C指数)分别为0.797、0.805、0.780,校正曲线提示该模型区分度良好,低风险患者的OS明显优于中、高风险组(P<0.001)。结论:PIV、NLR、CEA对于胃癌预后有较好的预测价值,基于PIV、NLR、CEA水平及胃癌相关病理资料构建的列线图模型对于临床有较高的指导意义。

不同材质风力机叶片绕流流场特征变化PIV实验研究

考虑风力机叶片变形对绕流流场的影响,通过粒子图像测速(PIV)方法,采集两副翼型相同、材质分别玻璃聚酯(叶片Ⅰ)和玻璃聚醋内部填充泡沫(叶片Ⅱ)的水平轴风力机叶片绕流流场信息,对不同测试截面处流场数据进行分析。研究结果表明:相比于叶片Ⅰ,相同工况下,叶片Ⅱ的总体涡量、回流区的面积和时均速度更大,轴向雷诺应力更小;随着相对轴向距离的增加,时均速度在相对高度方向波动减小,材质对轴向雷诺应力影响逐渐减弱。实验工况下,叶片材质对绕流流场特征的影响大于叶尖速比对其的影响,并沿径向方向有增大的趋势。