基于粒子图像测速技术(PIV)的自由游泳草鱼动力学特征分析

为研究草鱼Ctenopharyngodon idellus幼鱼在自由游泳状态下的动力形成过程与高效推进模式,利用粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)和涡量分析原理,在静水条件下对直线、转弯和后退3种游泳状态下的草鱼幼鱼(平均体长4~10 cm)周身受力特征及推进效率进行了分析。结果表明:直线和转弯游泳时,草鱼幼鱼主要依靠尾部聚集的正涡形成推力,该部位的推力转化率最高可达73%,而后退时的幼鱼则主要依靠中部负涡产生的反向力来推动鱼体;试验数据显示,当头部偏角为9°~10°时,直线游泳的草鱼幼鱼整体推进效率最高可达83%,其次为转弯和后退游泳状态,这两种状态下的幼鱼最高推进效率分别为74%和65%。研究表明,尾部聚集的正涡是幼鱼前进推力形成的主要来源,且较小的头部偏角更有利于草鱼幼鱼的高效推进。

搅拌槽内流动结构的粒子图像测速技术研究

使用粒子图像测速技术（PIV）对Rushton桨在全挡板搅拌槽内的流场结构进行了研究。在同一搅拌槽中采用固定雷诺数的放大准则，对比了不同直径的Rushton桨的速度和湍流动能分布。结果表明，Rushton桨叶产生的径向射流沿径向方向是向上方倾斜的，倾斜角度在5＊～6＊；在排出区，湍流动能沿径向先增加至一峰值后减小；不同桨叶直径的Rushton桨，无因次化后的速度和湍流动能的大小分布在桨叶附近几乎没有差别，但随着桨叶直径的增大，剪切速率和输入功率减小，射流偏角和排出量增大。

基于粒子图像测速技术的涡旋简易测控

基于立轴涡旋理想模型结合漏水及水泵冲击方法精巧设计了抽水进水平台,利用该装置生成稳定且可控的流体涡旋.采用跟踪流体运动的示踪粒子、激光器、CCD相机等器材构成本实验的测量系统,利用Virtual Dub软件处理视频得到连续分帧的清晰像,通过PIV粒子图像测速技术对摄取图像进行处理,得到不同高度、距离涡旋中心不同距离的三维平面内的涡度、速度环量等涡旋相关物理量的具体数据.结果表明:对于同一稳定流体涡旋,越靠近涡旋中心,流速越小,涡度越大;涡旋高度越高,涡旋表面速度越小.

PIV技术在动车组受电弓区域流场测试中的应用

受电弓区域是影响动车组气动阻力和振动噪声的关键部位之一,其流场特性是空气动力学研究的基础。针对该区域的流场研究多以模型试验和数值计算为主,缺乏实车试验数据为其提供数据支撑与对比基础,文中将PIV(Particle Image Velocimetry,粒子图象测速技术)引入受电弓区域流场测试,针对实车上的平面流场信息进行了采集,获得了真实有效的速度及涡量分布情况。

方柱绕流粒子图像测速试验与数值模拟

采用粒子图像测速设备PIV(particle image velocimetry),进行了雷诺数为2.2×104的方柱绕流试验,与公认的采用LDV(laser doppler velocimetry)的试验结果吻合较好,验证了本风洞中PIV试验系统的有效性.在进一步的比选中,通过计算方柱的阻力系数和斯特劳哈尔数以及流场的速度剖面和湍动能剖面,比较了几种常用湍流时均模型的计算结果与试验结果的差别.结果表明,采用基于剪应力传输的湍动能—耗散率模型(k—ωSST),能够得到与试验吻合较好的计算结果.

基于粒子图像测速的高含水率软土真空预压试验

为了更加直观地研究真空预压过程中土体的固结变形规律,采用粒子图像测速技术(PIV),开展高含水率软土真空预压模型试验,观测真空预压过程中塑料排水板(PVDs)周围土体位移场的变化.结果表明:排水板周围土体产生了水平方向的位移,且随着真空预压的进行,产生水平位移的范围不断扩大;排水板近处的土体以水平位移为主,主要发生径向固结,距排水板远处土体以竖向位移为主,主要发生竖向固结,并因此形成了排水板处土体凸起而远处下沉的"土桩"现象.结合孔隙水压力值监测结果,认为土体中不同区域的径向固结存在差异,距离排水板近处的土体排水固结更快.另外,对于距离排水板15 cm范围内的土体,通过径向位移计算得到的固结度大于通过孔隙水压力值计算得到的固结度.

基于PIV的渐变地表粗糙度对坡面流水动力特性的影响

粗糙度是影响坡面流水动力特性的关键因子,为探究渐变粗糙度影响下坡面流水力特性,采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)观测并分析3组流量下渐变粗糙床面下坡面流的流速轮廓线、紊动强度、雷诺应力和壁面切应力的变化规律。结果表明:(1)流速随粗糙度增加而减小;拟合无量纲流速得到流速分布对数公式,粗糙度增大与拟合常数A成反比,与积分系数B成正比。(2)渐变地表粗糙度流向紊动强度与光滑床面坡面流变化趋势相似。流向紊动强度随相对水深的增大而减小。随着粗糙度增大,流向紊动强度大小出现非显著性差异。渐变粗糙床面下流向紊动强度符合Nezu经验公式,流量与经验系数成正比。(3)不同流量下,渐变粗糙床面的雷诺应力分布与光滑床面相似。在粗糙度影响下,雷诺应力最大值出现在y/H=0.2~0.4处。随着粗糙度逐渐增加,壁面切应力逐渐增大。综合表明,增加PIV分辨率方法可以适用于坡面流水力特性的研究。探究渐变粗糙度对坡面流的影响,探讨坡面流水动力学特性,为水土保持理论研究提供新思路。

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。

集聚纺技术中气流速度场的数值模拟

采用标准kε湍流模型和有限容积法以及SIMPLE算法对集聚纺装置中负压斜槽周围气流速度场的分布状态进行数值模拟,并根据实际纺纱装置设计出可供测量气流速度场的实验模型,利用粒子图像测速(PIV)技术测量实验模型中的气流速度值,对数值模拟结果进行了实验验证。实验结果表明:在沿着z轴的方向上,越靠近斜槽(即z值越小)的位置,气流速度就越大,而且每个速度平面上的理论模拟值和实验测量值之间都存在一定的差异。但这种差异的总体趋势是相同的,即都是测量值小于理论值。同时,斜槽右侧的速度值要大于其左侧的速度值,而且缝隙左右两侧速度方向的差异很大,左侧气流几乎平行于纤维须条的出流方向,而右侧气流则倾向于垂直于纤维须条的出流方向。这表明数值模拟结果与实验结果基本吻合,可以用标准kε湍流模型对集聚纺技术中的气流速度场进行较深入的研究。这一研究结果完善了集聚纺纱技术的成纱机理,为进一步研究纺机制造、纺纱生产和产品开发提供了理论依据和指导。

收口套筒主燃区流场的PIV测量

在常温常压下,采用PIV技术测量了旋流器套筒为收口套筒时单头部矩形燃烧室主燃区的流场,获得了主燃区速度场和涡量场的详细信息.试验结果表明收口套筒形成了小尺度回流区大角涡的主燃区流场结构;收口套筒对旋转气流的收缩作用可以很好的改善燃烧室内油气的混合.

柴油机燃油喷射雾化的PIV测量试验研究

介绍了先进的粒子图像测速技术(PIV)应用于燃油喷雾过程的试验研究结果,燃油通过多种孔径的单孔和多孔喷油嘴喷入一个定容压力室内,采用高分辨率的CCD摄像机记录整个喷射过程,可以观察到喷雾场内部结构.结果分析显示,高速射流表面存在不稳定扰动波,在气动力作用下,液滴发生分裂破碎,呈现枝状分离表面.瞬态速度矢量图显示,气液界面处存在大尺度的卷吸涡流运动,有助于油气扩散混合.

循环流化床环核结构速度分布PIV测试

利用粒子图像测速仪(PIV)对循环流化床中颗粒流场进行了系统的实验研究。运用适合于高粒子浓度的最小方差法(MQD)图像处理算法得到了截面内典型环核流动颗粒速度矢量场。采用速度矢量场的方法可以确定出环核结构分界。定量上获得了不同时刻颗粒轴向上升和下落平均速度大小及沿床径向分布特性。在统计颗粒轴向上升速度和下落速度代数和基础上,获得了总体上颗粒轴向速度沿床径向在整个截面内形成抛物线型的环核分布规律。

Rushton桨搅拌槽内平均流场的二维PIV试验研究

用粒子图像测速技术(Particle image velocimetry,简称PIV)对带有Rushton桨叶的,无挡板搅拌槽内的流场进行研究。在叶轮转速240 r/min下,流动的雷诺数Re=1 527时,获取了桨叶处以及桨叶转过5个不同角度处的粒子图像。在对粒子图像进行处理和计算后,得到了相平均速度场和系综平均速度场,并给出了速度分布剖面图。结果表明,所研究的Rushton桨搅拌槽内径向喷射流动沿桨叶垂直方向是非对称的,而是向下方倾斜。在桨叶附近,径向流动速度高。随着流动远离桨叶,径向速度在降低。因此径向喷射流动作用就相当于自由射流:叶轮桨叶喷射出的流体进入周围大量低速运动的流体中,卷吸周围流体,并沿轴向和径向扩散,从而使更多的流体参与混合和反应。所作研究对于深入了解搅拌槽内流场结构具有实际意义。

应用2DPIV研究通风房间空气流动

介绍了二维粒子图像测速技术(2DPIV)的原理和使用中应注意两个关键问题,并实际测量了某模型通风房间的流场,与数值模拟结果进行了比较,结果表明PIV可以和CFD结果相互验证。PIV还可以提供传统测量工具无法提供的流场信息。

潮流能水轮机流场特性的数值与实验研究

通过数值模拟和模型实验相结合的方式,研究水轮机近域的流场特性对其水动力性能的影响,分析远域下不同入流速度和尖速比等因素对尾流场特性的影响。研究结果表明,在设计尖速比下,水轮机能量转换效率的数值模拟结果(0.37)与实验结果(0.36)的误差为0.3%,水轮机阻力系数的数值模拟结果(0.73)与实验结果(0.76)的误差为-4%,验证了数值模拟方法的准确性;水轮机梢部存在明显的三维流动现象,水轮机盘前梢部存在由叶根流向叶梢的径向流速(0.24 m/s),盘后梢部存在由叶梢流向叶根的径向流速(0.14 m/s),该叶片梢部尾流区的“下洗”流速导致水轮机能量转换效率下降;入流速度不会对尾流区轴向速度的恢复产生显著影响;在近尾流区(距离盘面小于5D)随尖速比的增加,尾流区轴向速度恢复呈逐渐降低的趋势,而在距离水轮机盘面超过10D之后,尖速比不会对尾流轴向速度恢复产生明显影响,但尖速比的增加会使梢涡存在时间变短,梢涡破碎的位置更靠近水轮机盘面。

基于PIV的保护性耕作对土壤风蚀的影响

利用风洞模拟试验研究了不同耕作措施的防风效益。研究表明,保护性耕作可明显增加地表粗糙度,提高土壤颗粒起动风速。免耕(NT)措施下地表垫面粗糙度最大,其次为翻耕覆膜(PT),常规耕作(CT)最小。相应地,NT和PT措施下起动风速分别比CT增加31.89%和16.70%。保护性耕作还可减少农田土壤风蚀速率,CT措施下平均风蚀速率是NT和PT措施的3～4倍。由此可知,覆盖措施(覆膜和冬小麦)对减少农田土壤风蚀的作用更突出。

障碍物位置对室内空气流场影响的2D-PIV实验研究

本研究目的旨在利用粒子图像测速技术（2DPIV），探索房间内障碍物位置的变化对通风气流组织的影响程度。利用PIV实验方法，对不同障碍物位置、不同送风速度等6种工况下流场进行了拍摄和数据分析。研究表明，当障碍物位置、热源发热强度一定时，随着送风速度的增加，送风射流对模型房间内空气的卷吸作用加强；流速增加时使模型回流区主旋涡区域增大，旋涡中心向回风口位置移动。在Y=0．275m高度射流无量纲轴心速度图中，X／L□0．8时各曲线变化趋势相同，而在Y=0．045m高度，在X／L□0-3的区域，随着X／L值的增加，空气流速反而显著下降；障碍物阻挡了气流前进方向，形成大回流区现象。当送风速度、热源强度一定时，随着障碍物至回风口水平距离S的不断增大，回流区主旋涡区域逐渐缩小，旋涡中心逐渐向远离回风口位置方向移动。该研究为深入理解房间内家俱、人体等“障碍物位置”对通风空调气流组织的影响提供了基础性数据资料。

工业锅炉炉内空气动力特性的PIV分析

工业锅炉炉内空气动力特性的研究对保证工业锅炉的正常工作具有重要的意义。利用粒子图像测速(PIV)技术研究旋流燃烧器一次风、二次风不同扩口角度和二次风旋流强度对炉内空气动力场的影响,结果表明,一次风扩口角度的增加使中心回流区由大变小,二次风扩口角度和旋流强度的增加均使中心回流区增大;射流边界随着一次风扩口角度的增加而减小,随二次风扩口角度和二次风旋流强度的增加而增加。研究结果可为工业锅炉和燃烧器的设计、改造和运行提供借鉴。

基于算法模型的肥大型船艉流场评估方法

为快速、准确评估肥大型船的艉流场,以某肥大型散货船为研究对象,应用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)技术和人工智能算法建立一种艉流场快速评估方法。分别采用数值计算方法和粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术对艉流场进行计算和试验,通过将计算结果与试验结果相对比验证数值计算方法的准确性。在此基础上,采用3种人工智能算法开展模型训练并分析模型拟合情况,采用拟合度最高的算法建立艉流场快速评估模型,进而得到肥大型船艉流场评估方法。研究表明:采用CFD软件能准确模拟出肥大型散货船艉流场的实际流动状态并展示其流动细节;采用伴流均匀度等参数描述艉流场,并将其应用于基于算法模型建立的艉流场评估方法中,可快速评估艉流场的不均匀度和流动特性,为肥大型船的艉部型线优化、螺旋桨及节能装置设计提供参考。

利用两种缩尺模型研究水电站高大厂房的气流组织分布

对呼和浩特水电站地下主厂房1∶50和1∶20两种缩尺比例通风模型的试验结果进行了比较分析。利用粒子图像测速(PIV)技术对1∶50比例通风模型进行了整场试验研究,同时建立了比例尺为1∶20的热态通风模型。通过分析比较两种比例通风模型典型断面(厂房纵向中轴断面、横向中轴断面及过发电机中心的横断面)的流场特性,发现两种比例通风模型流场的试验结果最大误差约为12.1%,在整个研究区域内两种模型的试验结果基本趋于一致。