电磁无损检测实验设计与教学方法

电磁感应法是一种重要的无损检测方法,尤其在对混凝土钢筋的定量检测和评估时,该方法发挥了重要的作用。为了进一步提高无损检测相关课程的教学质量、优化教学体系,提出了一种基于物理实验和数值模拟的教学实验模式。通过设计的一款用于室内测量和标定实验的钢筋无损检测实验箱开展对混凝土钢筋无损检测的定量实验;采用COMSOL有限元仿真软件进行基于电磁感应原理和检测新方法的数值模拟研究。这种物理实验与数值模拟相结合的教学实验和检测方法,可以将抽象的电磁理论和探测机理转化为直观的数据图像,并将难以开展的现场测试引入教学过程中。

基于卡尔曼滤波的翼型表面压力实时重构方法

为实现基于稀疏数据的翼型表面压力实时重构,提出了一种基于压缩感知与卡尔曼滤波器的数据融合方法,该方法主要包括线下建立数据库和线上实时感知两部分。首先,在线下通过粒子图像测速技术、压敏漆、计算流体力学等方法对翼型表面压力进行全场采样,并采用本征正交分解对所测得的全场压力数据进行降维,建立含有主导相干流动结构的模态数据库以及各模态时间系数之间的状态转换关系。其次,在线上基于压缩感知,利用离散压力传感器所测量数据与压力场主导模态,通过求解L1范数下的最优化问题,对各主导模态的时间系数进行初步求解。最后,将线下所得各模态时间系数之间的状态转换关系放入卡尔曼滤波器,作为其系统模型进行预测;将线上所求得各模态时间系数放入卡尔曼滤波器,作为其观测值进行校正。以CFD模拟翼型压力作为验证数据,对该方法的性能进行评估,结果显示:该方法与仅采用压缩感知进行重构对比,升力重构误差从18.15%减小至6.39%。

基于森林球的工业CT测量不确定度评定与分析

针对工业CT实际检测中涉及的零件材质与尺度跨度较大,且采用非金属森林球来评定工业CT测量不确定度存在适用性和可靠性不足的问题,基于不同材质森林球进行了工业CT测量不确定度评定,获得了标准器材质对测量不确定度的影响规律。根据工业CT的常用测量范围,设计制作了3种不同材质的森林球标准器,并用三坐标测量机进行标定,然后采用工业CT分别扫描和测量计算,实现了对不同材质森林球直径及球心距的测量不确定度评定。实验结果表明:材质对球直径测量的扩展不确定度影响不显著;球心距测量的扩展不确定度随尺寸的增大而增大,其中非金属陶瓷球和红宝石球标准器的扩展不确定度均值相当,平均值约为0.0035 mm,而钢球标准器则较之增大了3.4倍,达到0.0122 mm;球心距测量存在明显的系统误差,标准器材质的影响不显著。基于不同材质森林球的球心距测量对工业CT测量不确定度标准器的选用及校准具有重要的指导意义。

基于光斑投影3D-DIC的动态液面波高场测量方法研究

动态液面波高场测量与面型三维重建是流体力学、晃荡动力学等研究领域中的重要问题,但目前仍缺乏一种简易且高效的高精度全场测量手段.基于光斑投影和三维数字图像相关(3D digital image correlation,3DDIC)原理,提出了一种动态液面波高场的测量方法.通过液体染色和光斑投影,在液体表面形成光斑纹理,设置双目相机拍摄动态液面的散斑图像.运用交比不变性标定板及张正友标定法获得双目相机内外参矩阵,并基于反向组合高斯牛顿(inverse-compositional Guass-Newton,IC-GN)的3D-DIC算法实现动态液面波高场的高精度三维重构.进一步建立光斑投影的几何光学模型,模拟规则波液面的双目图像,开展数值模拟测量以验证本方法的理论精度,同时开展真实液面波高场的测量验证.结果表明,本方法可实现动态液面波高场的高精度全场测量,模拟液面测量的均方差为0.004 mm,真实静态液面抬升测量的均方差为0.022 mm,真实动态液面测量的均方差小于0.037 mm.本文方法具有高精度、非接触和全场测量等优势,可在实验室流体测量和相关工程场景中推广应用.

标准孔板经验流出系数分析

标准孔板作为一种节流装置在能源计量领域尤其是蒸汽计量方面得到广泛应用。流出系数作为标准孔板的一个关键参数,该文对其进行深入讨论。指出了标准孔板的经验流出系数在GB/T 2624-1993与GB/T 2624.2-2006中计算方法的不同,并按不同版本的GB/T 2624计算得到的经验流出系数与试验得到的流出系数进行比较。由试验可知,GB/T 2624.2-2006对经验流出系数的计算方法进行修正后与试验结果更为近似,最大试验误差不超过0.16%。

迎角对翼型边界层影响的实验研究

为深入了解迎角对翼型边界层的影响,开展了SD7003翼型的TR–PIV实验研究。对比了迎角为4°、6°、8°工况下翼型吸力面的平均速度、雷诺切应力等统计量的分布,并对实验数据进行了本征正交分解(POD)模态分析,详细分析了不同工况下各阶模态中的流动结构及其频谱特征。研究发现,随着迎角增大,分离泡位置向翼型前缘移动,分离泡厚度增大;分离泡内部和再附点附近存在较强的剪切运动;再附点附近有交替出现的正、反方向涡结构,而后涡结构随边界层发展不断变化;POD分解的各阶模态的能量大小与其所包含结构的尺度和模态频率有关;随着迎角增大,流场中流动结构尺度增大,流场能量的频域分布由高频向低频移动。

60°T形弯头内二次流特征

石油化工中普遍存在的T形弯头结构是诱发管路振动的重要因素,明晰弯头内流场特性,对于压力管道的长期稳定运行具有重要意义。设计并组装了模拟工业运行管路,观察段使用有机玻璃制作的60°T形弯头,采用三维粒子影像测速系统(particle image velocimetry,PIV)和压力传感器测量管路中流体的二次流特征。通过流线图和速度矢量图,对比分析不同流速下管道内涡流的分布和运移规律。结果表明,60°T形弯头中存在一对大小不等的周期性交替摆动的涡,在一个周期内出现、增加、减少和消失,具有卡曼涡街和迪恩涡旋的部分特征。这两个涡交替变化的频率随流速增加呈指数型增大,管内流体压力脉动的幅值也随流速增加而升高,但管道正面的涡流规律基本不变。采用重整化群(renormalization group,RNG)形式κ-ε湍流模型结合二次上游插值(QUICK)方法、压力-速度耦合方程(SIMPLE)模拟管道侧面二次流变化规律,模拟结果与实验数据吻合度较高。研究结果为明晰T形弯头内涡流诱发管道振动规律及预防措施优化提供了理论依据。

盐析液固两相流场的PIV测量方法

利用粒子图像速度场仪(particle image velocimetry,以下简称PIV)测量离心泵叶轮内部伴有盐析的液固两相流场.用图像采集卡将CCD相机拍摄的流动图像实时地传输并存储到计算机中,采用自行开发的液固两相流图像处理及分析软件,先把粒子从背景中分离出来,然后通过算法,根据粒径的大小分离出固相和液相两相流的粒子.经过实际测量研究表明,该方法对硬件的依赖小,测量成本低,是一种测量输送含有盐析晶体的液固两相流动的有效方法.

基于法布里-珀罗干涉仪的瑞利散射测速技术研究

基于法布里-珀罗干涉仪的干涉瑞利散射测速技术原理,结合种子注入Nd∶YAG脉冲激光器、ICCD相机和高光谱分辨法布里-珀罗干涉仪,建立了一套干涉瑞利散射速度测量系统,系统的速度测量准确度为10m/s.对拉瓦尔喷管产生的超声速自由射流开展干涉瑞利散射速度测量,得到气流的流动速度为366m/s.在不需要外加任何示踪粒子的条件下,利用流场气体分子本身的瑞利散射,实现了对超声速流场速度的非接触测量.

四喷嘴对置式撞击流的数值模拟

通过实验测量和数值模拟(Realizableκ-ε湍流模型)相结合的方法研究了四喷嘴对置式撞击流的流场,得到了两者相吻合的结果。模拟结果再现了装置内的分区流动情况;通过对模拟数据分析,计算出了回流比沿装置轴向的分布,发现喷嘴顶部高度和喷口速度的大小对顶部空间的回流比分布影响明显;而喷嘴顶部高度和喷口速度对喷嘴以下空间的回流比分布影响甚小,大约距喷嘴2倍装置直径距离后喷嘴以下空间回流消失。

箔条抛撒运动特性研究

通过箔条的地面发射试验,测量了两种不同长度的箔条在不同初速条件下的最远抛撒距离和最大宽度,得到了箔条阻力系数与雷诺数之间的线性关系。试验结果表明:长箔条的阻力系数大于短箔条的阻力系数;当箔条的发射初速增加到一定值后,箔条的抛撒距离增加的很小。

水平井变质量流动压降规律实验研究

水平井由于壁面孔眼流体的流入,造成沿水平井筒为流量不断增加的变质量流动。通过室内模拟实验,采用螺旋射孔钢管为实验管材,对壁面孔眼入流对主流压降的影响进行了研究。研究结果表明:随着注入比的增加,管中压降增大;由于入流与主流的掺混,将会造成一定附加压降,该值的大小与加速度压降和注入比两者间的比值成线性关系。考虑不同注入比条件,建立了井筒流动压降新模型,井筒中流动总压降为射孔管摩阻压降与附加压降两者之和,模型计算结果平均相对误差仅为7.5%,精度高于其他理论模型,从而为井筒流动和油藏流动耦合计算提供理论支持。

微型飞行器测量天平设计与风洞试验

用三梁式、四梁式结构分别设计了用于测量微型飞行器气动性能的单分量、二分量和三分量应变天平4台。通过天平的地面静态校准给出了每台天平的使用公式,在专门设计建造的微型飞行器实验装置中,用软模型、硬模型、翼型进行了模型静态气动性能试验,用微型扑翼飞行器进行了单分量和二分量天平动态吹风试验,结果表明,所设计的天平具有较高的精准度和灵敏度,试验曲线光滑连续,实验数据可靠,为微型飞行器的研究提供了非常有效的测量手段。

圆柱尾流场的Tomo-PIV测量

层析粒子图像测速(Tomo-PIV)是一种先进的光学测量技术,能够定量获取三维体视流场结构,可作为诸如湍流、多涡系干扰等三维复杂流场的有效测量手段。为了实现该技术在风洞模型测量中的应用,研究了工程应用和数据处理方法。在中航工业气动院FL-5风洞,选取12mm直径的圆柱体作为试验模型,应用Tomo-PIV技术测量了圆柱三维尾流场,通过解决体光源引入、示踪粒子投放和现场标定等关键技术以及对数据处理方法的研究,成功获得了圆柱体后方典型的三维卡门涡流场。测量区域约95mm×70mm×8.5mm,粒子图像分辨率达到20pixels/mm,包含数万个速度矢量数据,实现了Tomo-PIV的风洞试验验证。

双分量压敏涂料技术的应用研究

介绍了压敏涂料技术在实际应用中的一些经验,给出了在飞机机翼表面,压敏涂料技术与常规测压孔技术测量结果的比较得出:国产压敏涂料的性能优于进口产品,可替代进口产品;使用国产双分量压敏涂料的压敏涂料技术可用于型号研制压力测量试验。

大型水洞中螺旋桨尾流场PIV测试研究

以标准桨DTMB-P4119为试验对象,开展了螺旋桨尾流场测试分析。试验捕捉到了清晰的螺旋桨梢涡和尾涡的流动结构以及梢涡、尾涡片在尾流中的演化。分析比较了三种载况下的尾流特征,利用捕捉到的梢涡涡心坐标计算了部分涡线的螺距角。文章将测试结果与LDV测试数据进行了比较分析,结果表明,PIV与LDV对微观流动结构的测量取得了比较一致的结果。

Taylor-Couette流场特性的PIV测量及数值模拟

采用粒子成像速度场仪（PIV）和数值模拟（CFD）对Taylor-Couette流场进行测量,获得各转速下涡流场信息。将同等条件下PIV测量结果与数值模拟结果相联系,对比分析不同旋转雷诺数范围内涡流场中不同径线和中轴线上各向速度的变化特征。结果表明,各种特征存在一定的转速分段范围：在2-7r/min（Re为100-350）时,各向速度特征为层流涡特性,在7-40r/min（Re为350-2000）时,各向速度特征为波状涡特性,在40-60r/min（Re为2000-3000）时,各向速度特征为调制波状涡特性,当转速大于60r/min（Re大于3000）时,各向速度特征为湍流涡特性。根据不同角度获得的各向速度特征对应的内筒转速、旋转雷诺数与流场涡形态的关系,明确分析出特定几何条件下,泰勒涡发生形态转变的旋转雷诺数,以便于深入探究泰勒涡流场的特性,定量分析涡运动形态特征。

微尺度圆管内气体流量的实验测量

以氮气和氦气为工作介质 ,研究了微尺度 (=17.6μm,17.9μm)圆管内压力驱动的气体流动 ,测量了在不同进出口压力下的流量 ,并与计算值进行了比较 .结果表明 ,即使对于极低 Mach数 (M=0 .0 0 3～ 0 .0 3)流动 ,其可压缩性仍十分明显 ,它来源于微尺度效应 .在本文的实验参数下 ,Kundsen数范围为 3× 10 -3 ～ 7× 10 -3 ,表面滑移不明显 。

两相流PIV粒子图像处理方法的研究

本文在单相PIV技术的基础上研究了两相流动PIV图像处理方法,采用摸板匹配法和灰度加权标定法对两相粒子进行了识别、区分和标定,采用灰度互相关法对区分后的单相粒子图像进行了处理.应用基于以上方法编制的Windows应用软件,首先对由美国Minnesota大学复杂流动实验室提供的两相流动粒子图片进行了处理,通过对比分析可见,应用本文所采用的方法能对两相粒子进行有效的识别和区分,然后以搅拌槽内液固两相流场为例对此方法进行了应用.

PVDF压力传感器的冲击压电特性研究

PVDF薄膜是一种新型的聚合物压电材料。为了研究PVDF薄膜在低压和一维应变下的压电特性，利用立式Hopkinson压杆和一级轻气炮标定了自研制PVDF压力传感器的压电曲线，实验表明该应力传感器频响高，波形稳定，线性度良好，拟合灵敏度系数K值在0～20MPa和100-450MPa压力范围分别为14．96pC／N和11．9pC／N，可以基本满足动态冲击应力测试的要求。但由于PVDF薄膜的系数K受多方面的影响，定量分析有相当难度，建议使用跟实际工作状况相近的标定K值。