PIVS方法测雾滴粒径的影响因素及其实验验证

在分析讨论 PIVS ( particle image velocimetry and sizing)方法测量喷雾场粒子粒径的影响因素的基础上 ,通过建立基于标准粒子的粒子场实验模拟装置 ,对 PIVS系统粒径测量结果进行了验证。结果表明 :现有系统只适用于对大粒子 (如平均粒径大于 1 1 5μm)粒径的精确测量 ,要实现对小粒子 (如粒径小于 5 0μm)粒径的测量 ,仍需改善其成像系统的性能。

静水环境下草鱼幼鱼摆尾-滑行动力学研究

为研究静水环境下幼鱼摆尾-滑行时的推、阻力形成过程和鱼体周身流体作用机理,以草鱼幼鱼(Ctenopharyngodon idella)为研究对象,利用粒子图像测速技术(PIV)测量了草鱼幼鱼周身流场,计算了草鱼幼鱼周身由流体正压和流体负压产生的作用力,比较了草鱼幼鱼头、中、尾部产生的推、阻力占比和游泳效率。结果表明:摆尾阶段的幼鱼推力主要来源于流体负压;滑行阶段的幼鱼则主要依靠鱼体周身流体正压形成的推力推动自身前进。整个摆尾-滑行周期内,草鱼幼鱼尾部流体形成的推力占总推力的48.81%,是推力的主要产生部位,且尾部的平均游泳效率(77.28%±16.87%)要明显高于头部和中部;草鱼幼鱼中部集中的阻力最多,占总阻力的67.82%,是幼鱼的主要阻力形成部位。

单裂隙内浆液基本流动规律的理论、试验、模拟对比分析

工程中广泛使用的水泥浆液是一种非牛顿流体,在裂隙内扩散时表现出复杂的宏观非线性渗流特征,在细观流场上也因屈服应力的作用呈现出柱塞流等特殊流动现象。配制符合Herschel-Bulkley(H-B)模型的模拟浆液,利用粒子图像测速(particle image velocity,PIV)技术开展平直裂隙内的可视化渗流试验,同时求解H-B-P(H-B-Papanastasiou)方程开展浆液渗流有限元数值模拟。基于平直裂隙中单相屈服幂律流体渗流解析解,从理论、试验、模拟相结合的角度分析了平直裂隙内注浆压力与流速的非线性关系;通过对流速剖面图的对比,分析了H-B流体的柱塞流特征;通过与Bingham模型的对比证明了H-B流体更符合实际浆液流动规律。通过原创的可视化测试手段验证了理论和数值模型,提出了参数取值依据,对提升复杂工程岩体中的注浆工艺具有参考价值。

不同埋深下类矩形与圆形隧道施工诱发土体变形透明土试验对比研究

类矩形隧道因其内部空间优势在工程中逐步得到推广,但其施工引发周边土层变化规律与常规圆形隧道的差异尚缺乏深入研究,且该差异与隧道埋深紧密相关.为此自主设计组装了类矩形与圆形隧道开挖装置,以透明土模拟周边土层,并采用粒子图像测速(PIV)技术精准测定土层变形,对不同埋深下等面积类矩形与圆形隧道动态开挖过程中诱发上覆土体变化规律进行了深入分析.试验对比结果表明,两类隧道引发上覆土层变形的滑裂面基本一致,大致符合太沙基理论的竖直滑动面假定,滑裂角θ约等于45°+φ/2;不同埋深情况下,圆形隧道上覆土层竖向变形始终保持“V”型的正态分布,即存在最大值,而类矩形隧道随着地层深度的增加,上覆土层变形由“V”型转变为“W”型,即存在多个沉降最值,表明该类隧道比圆形隧道地层变形更为均匀,且在相同埋深情况下类矩形隧道开挖引发的地表沉降最大沉降值小于圆形隧道,该现象在浅埋状态下尤为明显,二者差异随着埋深增大逐渐缩小,该结论可为施工方案设计选择提供参考.

孔隙介质渗流过程诱发声发射信号特征研究

在不破坏结构情况下,利用声发射(AE)监测技术探究不同流速下间断级配颗粒介质运动规律,以及孔隙渗流过程声发射信号变化规律。通过渗流过程中由小颗粒介质位移产生的声发射信号和PIV技术相结合进行分析。结果表明:小颗粒介质数量一定时,流速较大的试验组AE事件数更多,即振铃计数更大、频谱重心更高;水流量相近时,试验中小颗粒介质含量直接影响AE事件数量,即含砂量较大的试验组AE事件数更多;含有小颗粒介质情况下,水流量越大小颗粒运动速度越快同时AE初始信号强度越大。研究表明:声发射监测技术能较好地反映孔隙渗流中颗粒介质的运动,为孔隙介质渗流过程中的小颗粒搬运监测和堤坝管涌预警提供一定的研究基础。

基于透明土的水力梯度对渗流侵蚀影响试验研究

为探究水力梯度对土体内部渗流侵蚀的影响规律,利用熔融石英砂作为透明土材料,以十五号白油与正十二烷按一定比例配置孔隙溶液,采用自研的PIV-PLIF(粒子图像测速-平面激光诱导荧光)渗流侵蚀试验系统研究了水力梯度对渗流侵蚀过程中孔隙溶液流速分布以及细颗粒运动的影响。结果表明:随着水力梯度的增大,示踪粒子流速也随之增大且不规则运动现象加剧,直到试样发生破坏流速才趋于稳定;同一水力梯度下,宏观流速略大于微观流速,两者之间的差距也随水力梯度的增大而不断缩小;当水力梯度达到临界水力梯度时,骨架颗粒中的细颗粒开始流失,渗透系数也开始发生变化,继续提升水头会使细颗粒大量流失而导致渗流通道不断发展扩大,最终达到破坏临界水力梯度,试样发生渗透破坏。

基于无人机的长河段表面流场测量技术应用分析

为提高表面流速测量结果的精确度,提出一种基于计算机视觉的无人机测量流域大尺度表面流场的方法。该方法利用无人机高清航摄获取研究区域河流段图像,基于FMV特征点识别与匹配,将相邻两帧运动图像分别进行相关运算获得瞬时二维流场。之后根据图像位置信息转换为实际坐标系流场,拼接插值后得到长河段表面流场速度分布。结果表明,该方法可以有效地获得大面积瞬时流场数据,为传统流速测量技术难以解决的问题提供了新的解决方案。

基于透明黏土的取土器贯入扰动变形试验研究

为了解取土器贯入过程中黏土体的扰动变形特性,采用由Aristoflex AVC制成的新型透明黏土及粒子图像测速(PIV)技术,通过可视化模型试验装置进行了不同尺寸的取土器贯入试验。试验结果表明:取土器贯入过程中各截面不同位置处的土体变形规律基本一致,距离管壁越远,变形越小;取土器下部土体整体性较好,且距离中轴线约0.19倍取土器内径范围内的土体剪应变较小,室内试验可切取这部分土体;取土器贯入引起的土体扰动变形主要由侧壁摩阻力及刃脚挤土效应引起,增大取土器内径能有效减小取土器内土体的压缩变形。

基于PIV技术的离心泵内流特性研究

采用PIV技术对无蜗壳五叶片叶轮进行不同流量下的实验,研究叶轮流道内部涡结构分布随着流量变化的发展趋势及叶轮流道内部局部欧拉扬程的分布特性,获得了流道内部能量分布特性,并对叶轮流道内部流场与局部欧拉扬程分布进行关联分析。结果显示,叶轮内部流场受流量变化影响非常大,随着流量的减小,不同流道内会先后在吸力面和压力面出现涡结构;叶轮内部局部欧拉扬程分布大体趋势基本一致;叶轮流道内部涡结构通过改变叶轮内部绝对液流角,进而影响局部欧拉扬程分布。

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。

体外溶血实验回路储血装置的血流动力学优化设计研究

目的心血管医疗器械的研制过程中,评测器械对血液的损伤情况尤其重要。现有体外溶血实验的储血装置存在空气血液接触界面,同时流动停滞区域大,可能会产生额外损伤的溶血结果。为降低体外溶血实验中储血装置造成的血液损伤影响,本研究设计出一种新型构型的储血血袋。方法首先通过有限元仿真软件建立5种容积相同,具有不同几何特征的充盈状态血袋模型;通过流体动力学软件仿真,计算分析各个血袋模型内流体速度场、流线、流体涡旋和流动停滞等情况,选取最优构型;最后制作最优构型血袋实物,通过体外粒子测速成像(PIV)实验得到实际流速等数据,进一步验证血袋内血流动力学结果。结果血流动力学计算结果显示,所有血袋最大速度均为1 m/s,但30°菱形血袋和45°菱形血袋流场的涡流区域明显减少,同时血流停滞面积也有效减小,由80%降低至约20%,有效降低了储血装置对血液的损伤,PIV实验结果与此形成较好对照。结论本研究设计出的储血血袋具有血液流动均匀、流动滞留区小、血液与空气隔绝等特点,可有效提高体外溶血实验的准确性。

基于响应面法的气浮旋流分离条件优化

随着油气工业的大规模发展,含油污水引发的环境问题日益严重,气浮旋流技术作为一种高效的分离方法得到广泛应用。为了进一步提高该技术的分离效果,利用实验方法对微气泡密度、旋转角速度、絮凝剂种类与浓度进行了单因素实验,利用响应面法对几种因素的组合进行了优化。单因素研究发现最优条件为:微气泡密度2.88×10^(4)个/ml、旋转角速度460 r/min,絮凝剂PAFC的分离效果较好。响应面法分析结论是X1、X3与3个变量的交互作用影响显著,最优组合:微气泡密度为2.47×10^(4)个/ml,旋转角速度为440 r/min,絮凝剂PAFC浓度为40 mg/L。

适用于植物生长的透明土制备及其性能试验

植物根系可以增强土体的抗剪强度,预防浅层滑坡。以熔融石英砂、正十二烷为主要成分的透明土技术为可视化观察植物根系提供技术支撑,但是植被难以在其中生长,无法克服根土耦合和观测的难题。该研究改进透明土配制工艺,提出既能模拟土壤力学性能又能适应植被生长的透明土方案。以侧柏根系为例,通过直剪试验分析含液率和含根率对根土复合体抗剪强度的影响,并以透明素土为对照。进一步采用粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术分析透明素土及根土复合体边坡模型在坡顶加载工况下的宏细观力学特征。研究表明:1)改进透明土能适应植被生长并观测根系形态,并能模拟根土复合体的力学性能,当含液率≥20%时,具有良好透明度,能观测植物根系形态。2)随着含液率的增加,透明土黏聚力下降,当含液率从0升至25.8%时,透明土的黏聚力下降了64.09%。当含根率从0增至0.6%时,黏聚力增加了127.50%。根系的加入,增加了透明土的黏聚力,但随含根率的增大,对黏聚力增益效果逐步减弱。3)根系的存在极大减小了边坡在坡顶荷载作用下的微观形变,有效预防潜在滑坡的发生。研究成果可为根系固土研究提供材料制备工艺和思路。

船舶对明渠水流运动的影响模型试验研究

为了探求船舶对于明渠水流运动的影响,利用水位测针和粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)系统分别测量了明渠水流中不同吃水工况下船舶前、后的沿程水深及流场,分析了位于船舶中间纵剖面上的流速分布特征。结果表明:①相较于无船工况,船前水深略有增加,船后水深略有减少;且船舶对水深的影响程度随着吃水深度的增加而增加,有船与无船水深的比值最大为1.071,最小为0.951;②船舶中间纵剖面上纵向垂线流速分布从船头前“J”型向船舶底部的“■”型转变,流经船尾后逐渐恢复为“J”型,且在船头附近形成下潜水流、船尾附近形成上升水流;③在船舶吃水深度为0.6 h时,纵向(沿水流方向)与垂向(沿水深方向)上都出现各个工况下的最大流速,纵向流速最大值达到无船时平均纵向流速的2.11倍,位于船头附近(x/l=-2/5);下潜水流流速最大值达到无船时平均纵向流速的71%,位于船头附近(x/l=-0.5);上升水流流速最大值达到无船时平均纵向流速的29%,位于船尾附近(x/l=2/3)。

冲击实验中复杂流场的准静止区检测

颗粒流场特征检测通常采用粒子图像测速(PIV)技术测得速度场,再对多帧连续图像进行人工识别,检测结果存在一定的主观误差。因此,提出了一种在单帧流场图像中识别准静止区的DC-UNet++网络。首先,通过电荷耦合器件(CCD)采集小球冲击颗粒床形成的流场图像,再用PIV技术分析并制作数据集。然后,在多组数据集上训练CNN模型、UNet++模型和提出的DCUNet++模型,验证分析其在单帧图像上检测准静止区的可行性与准确性。最后,讨论了该模型在非透明和透明两类颗粒材料中的低速冲击流场上的泛化能力。实验结果表明:DC-UNet++网络在非透明和透明颗粒材料上的准确率分别达到87.76%和72.91%。DC-UNet++网络实现了在单帧图像上检测目标特征的任务,且对透明颗粒材料复杂流场下的特征仍具有较为准确的检测结果。

矩形射流口几何构型对合成双射流工作特性影响分析

合成双射流技术作为一种新型的主动流动控制技术,除具备常规合成射流结构简单、响应迅速等特点外,还能有效解决控制流场与环境流场间压差引起振膜失效的问题,兼具能量利用率高、结构灵活和易于一体化集成等优点。合成双射流工作特性易受射流口大小、形状等几何构型的影响,为进一步研究合成双射流工作特性,设计了25组不同矩形射流口几何参数的合成双射流激励器,通过PIV实验得到合成双射流激励器射流口处流场结构与频率特性的关系,分析射流口几何参数对激励器腔体亥姆霍兹共振频率的影响,并总结出最佳长宽比-深纵比关系;结合数值模拟研究激励器几何参数特性,探究射流口几何参数对射流速度分布与轴切换现象的影响规律,并与PIV实验结果进行对比验证。结果表明小长宽比矩形射流口所形成的射流在空间上的分布更集中,射流峰值速度更大;而大长宽比矩形射流口形成的射流的速度较低,且单股射流易受压力差作用发生偏转,但涡量分布更加均匀,与环境流体的能量交换更充分。

含粗粒滑带土剪切带演化及空间展布规律研究

对含不同强度粗颗粒的滑带土进行了可视化中型直剪试验,通过竖直置入铝丝观察剪切后铝丝变形情况获取剪切破坏带的空间信息,并建立了剪切带空间曲面方程。通过粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术对可视面处二维剪切带信息进行提取,并与剪切试验得到的空间曲面方程的边界外推值进行对比,证明了空间曲面方程与PIV技术能够描述剪切带特征。然后通过PIV技术对不同剪切总位移与某一剪切位移下短时间内相对位移规律进行了分析。最后分析了预制损伤与粗颗粒强度对剪切带特征的影响。研究结果表明,剪切带形状为两端薄中间厚的带状,可采用高斯曲面方程对剪切带轮廓进行拟合。剪切带在发展过程中经历压密、自由损伤、损伤沿固定路径发展与剪切带贯通4个阶段,损伤使得剪切带发展各阶段前移,粗颗粒强度会对局部剪切带变形产生较大影响而对整体剪切带的变形影响较小。该研究成果对于揭示滑坡剪切带形成与演变规律从而设计合理的边坡防治方案具有重要意义。

松散堆积体斜坡变形-滑移过程的声发射特征参数演化规律

松散堆积体在自然界和工业生产中广泛存在,有复杂的力学性质和相对较高的失稳风险。为研究其在斜坡变形中的滑移失稳过程,基于声发射技术探究了松散体从静止、蠕变到滑移整个过程中声学特征演化规律。分析松散体在滑移过程中的声发射特征(acoustic emission,AE)参数,然后结合松散体的状态变化对AE演化阶段进行了划分,最后结合颗粒图像测速法(particle image velocimetry,PIV)分析和频谱变化进一步验证了松散体滑移过程的AE演化规律。结果表明:振铃计数和能量随滑移过程而逐渐增大,b值(小事件数与大事件数的比值)随滑移过程逐渐降低,b值、振铃计数和能量的滑移门槛值为0.2、5000次和1500 mV·ms,其中b值对松散体的状态变化更敏感;频谱重心在临滑移前期有30~50 kHz的降幅,而后发生震荡变化,其震荡时间区域正好对应振铃计数和能量数值相对较高及b值相对较低的时间区域;此外松散体滑移前存在一个重要的“窗口期”,说明AE技术具有识别松散体滑坡前兆的潜力。

基于底摩擦试验的缓倾边坡滑移拉裂破坏过程研究

顺层边坡一旦失稳,具有规模大、危害性强的特点。针对缓倾顺层边坡滑移—拉裂型破坏,采用底摩擦物理模型试验,结合PIV粒子成像技术以及MATLAB后处理方法,分析了缓倾顺层边坡滑移—拉裂型破坏过程中的宏微观特征。研究结果表明:PIV和MATLAB的后处理所得结果与宏观观察结果相吻合,计算结果能够反映出不同边坡结构下的位移矢量特征,并对变形特征进行分区;滑移—拉裂式破坏过程分为三个阶段,裂缝产生阶段、裂缝扩展阶段和破坏阶段。裂缝产生阶段边坡后缘首先产生竖向张拉裂隙,裂缝扩展阶段裂缝向深部扩展,破坏阶段边坡上部岩体沿层面中的软弱结构面滑动。对缓倾边坡滑移拉裂破坏过程的研究成果,能够为类似边坡的滑动机制分析提供一定参考。

SII/ALB、PIV水平对晚期驱动基因阴性非小细胞肺癌预后的评估价值

目的:探究系统性免疫炎症指数/白蛋白(SII/ALB)、泛免疫炎症值(PIV)水平与晚期驱动基因阴性非小细胞肺癌预后的相关性。方法:回顾性收集2018年1月1日—2022年12月31日于邯郸市中心医院住院的晚期驱动基因阴性非小细胞肺癌患者79例。观察这些患者的一般资料,确定SII/ALB、PIV最佳截断值,分析SII/ALB及PIV水平与临床特征的相关性。结果:COX多因素分析结果显示,SII/ALB、PIV水平与晚期驱动阴性NSCLC患者无疾病进展的时间(PFS)之间存在相关性(P<0.05)。结论:SII/ALB、PIV可预测晚期驱动基因阴性非小细胞肺癌患者的预后。