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。

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。

Tomo-PIV亚跨声速风洞应用探索

层析粒子图像测速技术(Tomographic Particle Image Velocimetry,Tomo-PIV)是将PIV技术和计算机断层诊断技术(CT)相结合的一种瞬时三维流场速度测量技术,能够定量获取流场的三维结构。通过对该技术的研究,实现了其在亚跨超声速风洞的应用,并进行了超临界翼型小肋减阻的试验验证。基于中国航天空气动力技术研究院FD-12亚跨超声速风洞,设计了体光源和相机等硬件设备的布局方案,解决了示踪粒子的均匀播撒问题,测量了Ma=0.6条件下的自由来流流场,并与PIV测试结果进行对比,两者数据吻合较好,验证了Tomo-PIV的测量精度。针对超临界翼型OAT15a,测量了翼型表面分别贴附光滑薄膜和顺流向对称V形小肋薄膜后翼型尾缘后方的三维速度场。对比发现,贴附小肋薄膜后尾缘后方流场的马赫数增大,说明小肋能够减小翼面摩擦阻力,具有一定的减阻效果。

冯·卡门涡旋流动系统中各向异性的实验研究

利用Tomo–PIV测量了冯·卡门涡旋流动系统中心区域的三维速度信息,通过2种方法计算得到的速度二阶结构函数,分析了该系统中流动的各向异性特性。实验结果表明:冯·卡门涡旋流动系统中心区域的流动均匀性较好,但均方根速度的不同分量间呈现出显著的各向异性,水平分量与竖直分量比值约为1.5。通过2种方法计算得到的速度二阶结构函数结果相近,并给出:经过各个方向分量平均后的速度二阶结构函数各向同性度较高;但其在尺度空间中的分布呈现“水平面内各向同性度高,竖直平面内存在一定各向异性”的特性,且随着尺度的减小,此各向异性会逐渐减弱并接近各向同性。该研究为认识湍流流动以及冯·卡门涡旋流动系统提供了基础理解和分析方法。

层析粒子图像测速技术研究进展

层析粒子图像测速技术(Tomographic Particle Image Velocimetry,Tomo-PIV)作为一种瞬时的三维流场速度测量技术,能够为具有强非定常性及强三维空间性的复杂流动提供详细的数据支撑。对近年来该技术在国内外的发展及应用进行了全面的综述。首先介绍了层析粒子图像测速技术的工作原理和技术特点,进而探讨了当前层析粒子图像测速的研究现状,重点从相机布局、示踪粒子密度、标定映射函数及三维重构算法对重构精度的影响等方面进行了阐述,而后通过国内外关于层析粒子图像测速技术的典型应用,展示了该技术在非定常三维流动及工程应用中的优势。最后,对层析粒子图像测速技术的应用前景及发展趋势进行了展望。

鱼游动涡结构PIV实验研究

鱼类逃逸和巡游已逐渐成为鱼类仿生推进水动力学领域的研究热点,其研究结果为水下航行器推进技术提供了很好的理论基础和指导意义。利用平面PIV技术测量了斑马鱼在水中游动时的尾迹流场,分析了不同游动状态下的鱼尾迹涡结构的变化规律;同时利用Tomo-PIV技术测量了曼龙鱼游尾迹三维流场,获得了涡环链结构。结果表明:不同游动状态下,鱼游尾迹表现出不同的流动结构和尾迹模式,对其进行研究有利于进一步揭示鱼游动的水动力学机理。

复杂固体边界流场的三维PIV测试技术:任意三维边界识别算法

针对复杂固体边界三维流场的PIV测试应用,以及流固耦合实验研究中流场和固体结构特征的瞬态同步测试需求,发展了一种基于双相机布置形式的任意三维边界识别算法以精确获取三维表面几何信息;并以基于MLOS-SMART三维粒子场重构的Tomo-PIV算法计算三维速度矢量场,可同步获取三维表面结构运动/变形信息和三维瞬态速度场。这一边界识别算法基于SURF(加速稳健特征)模式识别算法进行三维曲面重构,可以确定流场中三维物体结构的边界特征。论文采用双相机布置方式获取了三种不同曲率的圆柱曲面图像,验证了所发展的三维边界识别算法的准确性。最后以圆柱绕流Tomo-PIV数字合成粒子图像序列为验证对象,采用所发展的边界识别算法和Tomo-PIV算法分别高质量地计算出圆柱曲面信息和三维速度场。

光场单相机三维流场测试技术

将光场三维成像技术与实验流体力学相结合,实现单相机对空间三维瞬态流场(3D3C)的精确测量,为流体力学实验研究提供了一种全新的测试技术。详细介绍了具有自主知识产权的光场相机硬件系统、基于乘积代数重建技术(MART)的粒子光场图像重构算法以及基于光线追迹的数字光场图像合成算法。利用DNS数字合成图像以及低速射流实验图像,将所发展的光场单相机三维流场测试技术(Light Field Particle Image Velocimetry,LFPIV)与目前最成熟的三维流场测试技术层析PIV(Tomographic Particle Image Velocimetry,Tomo-PIV)进行对比研究分析。实验结果表明LF-PIV技术完全能达到与Tomo-PIV同等量级的测量精度。