流体力学实验-第五章.pptVIP

第五章 流动显示技术及其发展 §5.1 流动显示的一般概念 1.流动显示（Flow visualization）技术:流场的可视化技术 流动现象的观察： ? 1883年Reynolds转捩实验 ? 1888年Mach关于激波现象的观察 ? 20世纪初Prantle用金属粉末做示踪粒子，获得了一张沿平板的流谱图，提出了边界层的概念 ? 1912年Karman对水槽中圆柱绕流的观察，Karman涡街的提出 §5.2 水流流动显示技术 1. 染色线流动显示 在被观测的流场中设置若干个点，在这些点上不断释放某种颜色的液体，它随流过该点的流体微团一起往下游流去，流过该点的所有流体微团组成了可视的染色线。 旋涡运动的流动结构 染料选取：（墨水、牛奶、高锰酸钾和苯胺颜料的酒精溶液等） ? 所选取的染料应使染色线扩散慢、稳定性好 ? 染色液应与水流具有尽可能相同的密度（与酒精混合） ? 染料颜色与流场背景形成强的反差（荧光染料） 注入方式： ? 在绕流物体表面开孔 ? 直接注入流场中所需要观测的位置 §5.4 流动显示的光学方法1. 适用范围 2. 基本光学原理 光在不同介质中的传播速度是不同的，与介质的折射率n有关。 对于一定的介质，其折射率是介质密度的函数，即 对气体而言，有 其中 为参考密度，即标准状态（0?C，760mmHg）的密度， 为一与介质有关的常数，对光的波长并不敏感 因此，在一密度不均匀的介质中，如在有密度变化的流场中，各个部分的折射率是不同的。光线通过流场一般会发生两种效应： ? 光线传播方向发生偏折 不同的光线之间有一个相对的相位偏移 相应的光学显示方法可分为： 阴影法——根据光线在投影面上的线偏移来确定折射率二阶导数变化 纹影法——根据光线的偏折角来确定折射率的一阶导数变化 干涉法——根据光线相位变化来确定折射率 3. 阴影法 阴影法是最简单的一种光学流场显示技术，平行光束通过流场实验段再直接投影到显示屏幕上（阴影图）。屏幕上光线的亮度与气流密度变化有直接的关系。 点光源 透镜 流场 显示屏幕 阴影仪光路图 ? 均匀密度：各点光线的折射率相同，平行光束透过流场后仍然保持平行。 密度梯度为常数，即二阶导数为零：光线的偏转角正比于密度梯度，偏转角为常数，屏幕上的亮度不会改变。 密度的二阶导数不为零：屏幕上亮度的变化正比于密度的二阶导数，当 即 时，光线的偏转有发散的趋势（形成暗区）；反之有聚拢的趋势（形成亮区）。 暗 亮 平行光线 流动 阴影仪原理图 屏幕 激波区域 x 4. 纹影法 纹影图表征流场中密度梯度的变化，灵敏度比阴影仪高一个量级。 线光源 透镜 流场 显示屏幕 纹影仪光路图 刀口光阑 纹影透镜 刀口光阑 未扰动的光源像 扰动后的光源像 刀口光阑与光源像 刀口光阑的作用：切割光源像，把光线受流场的扰动转变为记录屏幕上的光强分布。 密度均匀：刀口切割光源像使屏幕图像均匀变暗（光源减少了一部分） 密度梯度：光线发生偏折，屏幕上的亮度变化反映了流场中的密度梯度变化 激波风洞流场纹影图（刀口方向：水平） 激波风洞流场纹影图（刀口方向：垂直） 4. 干涉法 Mach-Zehnder干涉仪 屏幕 补偿片 全反镜 风洞实验段 分光镜 单色点光源 干涉条纹 密度均匀：干涉条纹彼此平行 密度不均匀：干涉条纹发生移动或变形，干涉条纹的改变与流体密度的变化有关 §5.5 流动显示技术的新发展——定量的流动显示和测量技术 激光诱导荧光（LIF）技术 激光诱导荧光技术：是一种20世纪80年代发展起来的光致发光流动显示与测量技术，把某些物质（如碘、钠或荧光染料等）溶解或混合于流体中，这些物质的分子在特定波长的激光照射下能激发荧光。 选择合适的具有激光诱导荧光特性的物质与特定波长的激光光源相匹配。 ? 分子或原子：氢氧根（OH），碳氢根（CH），二氧化氮（NO2），氧分子（O2），氧原子（O），丁二酮分子，碘分子（I2），一氧化碳（CO）等 液体：荧光染料（如罗丹明，Rhodamine） 激光器：氩离子激光器——碘分子 氟化氩激光器——氧分子，氧原子， CH， CO 激光诱导荧光技术不仅可以显示流动结构（目前已经发展得相当成熟），而且可以定量地测量浓度（处在应用阶段）、速度等（仍处在研究阶段）。 平面激光诱导荧光流动显示（PLIF）：用脉冲或连续激光片光源，利用激发出的荧光显示流场断面内的流动结构。 PLIF流动显示可以清晰地显示瞬时、内部流场显示。