PIV在低速风洞中的应用
小展弦比飞翼标模纵航向气动特性低速实验研究
小展弦比飞翼标模纵航向气动特性低速实验研究吴军飞;秦永明;黄湛;魏忠武;贾毅【摘要】对小展弦比飞翼气动布局外形，通过常规测力风洞实验方法得到其纵向气动特性和偏航控制特性，在分析其气动特性后，选取典型的状态采用 PIV 实验方法对其流动机理进行研究，研究表明小展弦比飞翼在较小的迎角下即出现前缘分离涡，随着迎角的增大，前缘分离涡强度增大，且逐渐往机体对称面方向移动，随着迎角进一步增大，分离涡变得不稳定，涡核开始摆动，最终破裂，破裂位置从后缘开始，逐渐前移。
对小展弦比飞翼气动布局飞机的控制难点偏航控制进行研究，结果表明该飞翼布局模型在实验迎角范围内偏航方向是静稳定的，在小迎角下具有可操纵性，迎角大于6°后嵌入面处于破裂的前缘涡尾迹之中，操纵性降低。
%longitudinal and lateral aerodynamic characteristics of the low aspect ratio flying wing calibration model are investigated in a low speed wind tunnel.Normal force measuring ex-periment is conducted to gain the longitudinal aerodynamic characteristics and yaw control charac-teristics,and the PIV test is also conducted to investigate the flow mechanism of the low aspect ratio flying wing.The results indicate that the leading-edge separation vortex appears on the wing’s spine surface when the attack angle is at 6 degree.The vortex intensity increases and the vortex core shifts to the symmetric plane of flying wing with the increase of attack angle.Increas-ing the attack angle further,the vortex core becomes unsteady and begins to oscillate,finally break entirely.The broken position shifts from the ending edge to the leading edge.Yaw control characteristics of low aspect ratio flying wing is also studied in thispaper.The results indicate that the flying wing is static stabile at the test attack angle.When the attack angle is less than 6 degree,it is controllable in yaw direction.And when attack angle is more than 6 degree,the yaw control ability decreases because the control surface may lays in the wake region of broken lead-ing-edge vortex.【期刊名称】《空气动力学学报》【年(卷),期】2016(000)001【总页数】6页(P125-130)【关键词】小展弦比;飞翼;纵向气动特性;偏航控制【作者】吴军飞;秦永明;黄湛;魏忠武;贾毅【作者单位】中国航天空气动力技术研究院，北京 100074;中国航天空气动力技术研究院，北京 100074;中国航天空气动力技术研究院，北京 100074;中国航天空气动力技术研究院，北京 100074;中国航天空气动力技术研究院，北京 100074【正文语种】中文【中图分类】V211.7小展弦比飞翼布局飞机采用全翼设计，气动特性得到大大提高；取消了平尾（升降舵）和垂尾（方向舵）等，显著地减小了雷达散射截面积，因此成为下一代超声速高性能作战飞机的理想构型［1－6］，与此同时也带来了操稳特性方面的诸多新问题。
大型风洞PIV试验的关键技术
计算机测量与控制．２０２２．３０（１） 犆狅犿狆狌狋犲狉犕犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋牔犆狅狀狋狉狅犾 ·２７３ ·收稿日期：２０２１０６０７； 修回日期：２０２１０７２０。
作者简介：岳廷瑞（１９８３），男，四川南部县人，硕士，工程师，主要从事风洞测控技术及ＰＩＶ试验技术方向研究。
通讯作者：李付华（１９８３），男，四川筠连县人，硕士，工程师，主要从事风洞应变天平方向的研究。
引用格式：岳廷瑞，李付华，张 鑫，等．大型风洞ＰＩＶ试验的关键技术［Ｊ］．计算机测量与控制，２０２２，３０（１）：２７３２８１．文章编号：１６７１４５９８（２０２２）０１０２７３０９ ＤＯＩ：１０．１６５２６／ｊ．ｃｎｋｉ．１１－４７６２／ｔｐ．２０２２．０１．０４２ 中图分类号：ＴＰ３文献标识码：Ａ大型风洞犘犐犞试验的关键技术岳廷瑞，李付华，张 鑫，覃 晨，张 逊，肖亚琴（中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳 ６２１０００）摘要：从粒子产生及投放技术、图像拼接技术、反光处理技术、时序调整技术、设备标定技术五个方面深入探讨了大型风洞ＰＩＶ试验的关键问题及处理方法；提出了在大型风洞试验中开展粒子投放，应选择经济实用的材料，研制足量可控且可持续供应的粒子发生装置，同时要在适当的位置进行投放；在进行大视场图像拼接时，应选择先分别计算再进行速度场结果进行拼接的方法，并在图像采集前做拼接标定，以获得拼接参数；在反光处理时，应根据实际情况选择最佳的反光处理方法，如选择移动相机的方法，应在图像处理时进行变形修正；在大型风洞中，应掌握快速高效的时序调整及设备标定方法，提高试验效率。
关键词：ＰＩＶ；关键技术；大型风洞犓犲狔犜犲犮犺狀狅犾狅犵犻犲狊狅犳犘犐犞犜犲狊狋犻狀犔犪狉犵犲犠犻狀犱犜狌狀狀犲犾ＹＵＥＴｉｎｇｒｕｉ，ＬＩＦｕｈｕａ，ＺＨＡＮＧＸｉｎ，ＱＩＮＣｈｅｎｇ，ＺＨＡＮＧＸｕｎ，ＸＩＡＯＹａｑｉｎ（ＣｈｉｎａＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＣｅｎｔｅｒ，Ｍｉａｎｙａｎｇ ６２１０００，Ｃｈｉｎａ）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｈｅｋｅｙｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｏｆｐａｒｔｉｃａｌｉｍａｇｅｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ（ＰＩＶ）ｔｅｓｔｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｌａｒｇｅｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌｆｒｏｍｆｉｖｅａｓｐｅｃｔｓ：ｐａｒｔｉｃｌｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎａｎｄｄｅｌｉｖｅｒｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｍａｇｅｍｏｓａｉｃｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅｐｒｏ ｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｉｍｉｎｇａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｌａｕｎｃｈｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｎｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌｔｅｓｔ，ｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｓｅｌｅｃｔｅｃｏｎｏｍｉｃａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｄｅｖｅｌｏｐｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｌａ ｂｌｅａｎｄｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅｓｕｐｐｌｙｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅｓ，ａｎｄｌａｕｎｃｈｐａｒｔｉｃｌｅｓａｔａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｐｏｓｉｔｉｏｎｓ；Ａｓｓｔｉｔｃｈｉｎｇｌａｒｇｅｆｉｅｌｄｏｆｖｉｅｗｉｍａｇｅｓ，ｗｅｓｈｏｕｌｄｃｈｏｏｓｅｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｓｅｐａｒａｔｅｌｙａｎｄｔｈｅｎｓｔｉｔｃｈｉｎｇｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｆｉｅｌｄｒｅｓｕｌｔｓ，ａｎｄｄｏｓｔｉｔｃｈｉｎｇｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｂｅｆｏｒｅｉｍａｇｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｔｏｏｂｔａｉｎｓｔｉｔｃｈｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ；Ｉｎｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｔｈｅｂｅｓｔｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｈｏｕｌｄｂｅｓｅｌｅｃｔｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅａｃｔｕａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎ．Ｆｏｒｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｍｏｖｉｎｇｃａｍｅｒａｓｈｏｕｌｄｂｅｓｅｌｅｃｔｅｄ，ａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｓｈｏｕｌｄｂｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｉｎｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；Ｉｎｌａｒｇｅｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌ，ｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｍａｓｔｅｒｆａｓｔａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｔｔｉｍｉｎｇａｄｊｕｓｔｍｅｎｔａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｅｓｔｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｐａｒｔｉｃａｌｉｍａｇｅｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ（ＰＩＶ）；ｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｌａｒｇｅｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌ０ 引言粒子图像测速（ＰＩＶ）技术自２０世纪８０年代问世以来，经过近４０年的技术发展，在硬件设备、系统集成和软件算法上取得了大量重要的进步，其成熟的测量技术被国内外研究人员广泛认可并应用到以流体力学为代表的大量研究领域。
piv技术的原理与应用
PIV技术的原理与应用1. 什么是PIV技术？PIV（Particle Image Velocimetry）技术是一种用于测量流体中速度变化的光学测量技术。
它基于成像和粒子追踪的原理，通过记录流体中的颗粒运动轨迹，从而推断速度信息。
PIV技术可以应用于多个领域，包括流体力学研究、流体工程、航空航天等。
2. PIV技术的原理PIV技术的原理基于两个主要步骤：成像和粒子追踪。
2.1 成像在PIV实验中，成像是通过激光束照射流体中的颗粒，形成一个平面投影，并利用高速摄像机记录下颗粒的图像。
成像过程中需要注意以下几点：•使用适当的激光光源，以确保产生足够能量的光线来照亮流体中的颗粒，同时避免对流体的影响。
•选择适当的摄像机来记录图像。
高速摄像机通常具有较高的帧率和分辨率，可以捕捉到颗粒的快速运动。
2.2 粒子追踪粒子追踪是PIV技术中的核心步骤，它通过分析颗粒在连续图像帧中的位移来推断流体的速度。
粒子追踪主要包括以下两个步骤：•特征提取：在每一帧图像中，使用适当的特征提取算法找到颗粒的位置。
常用的特征提取算法包括亮度加权相关方法和互相关方法。
•位移估计：通过对颗粒在不同帧之间的位移进行比较，可以估计出流体的速度。
位移估计通常使用相关与平均方法或剪切相关方法。
3. PIV技术的应用PIV技术以其快速、非侵入性和高精度的特点，得到了广泛的应用。
以下是PIV技术在不同领域中的应用示例：3.1 流体力学研究PIV技术在流体力学研究中起着至关重要的作用。
通过使用PIV技术，研究人员可以获得流体中不同位置的速度分布和涡旋结构等信息。
这有助于深入了解流体运动的本质，优化流体系统的设计。
3.2 流体工程PIV技术在流体工程中的应用非常广泛。
例如，在风洞实验中，通过使用PIV 技术，可以获得飞机在风中的速度分布和风阻等参数。
这对于飞机设计和气动性能评估非常重要。
3.3 航空航天PIV技术在航空航天领域中也有广泛的应用。
例如，在火箭推进系统中，PIV 技术可以帮助研究人员分析燃烧室内的流动特性，优化燃烧效率。
航空器设计中的风洞试验技术研究
航空器设计中的风洞试验技术研究在航空领域，航空器的设计是一个复杂而精细的过程，其中风洞试验技术扮演着至关重要的角色。
风洞试验能够模拟真实飞行环境中的气流情况，为航空器的设计提供关键的数据支持和性能评估。
风洞，简单来说，就是一个用于产生可控气流的装置。
它的工作原理是通过风扇或其他动力设备驱动空气流动，经过精心设计的管道和测试段，以模拟不同速度、高度和姿态下的气流条件。
在风洞试验中，航空器模型被放置在测试段内，通过各种测量设备和传感器，获取关于气动力、力矩、压力分布等重要参数。
风洞试验技术的应用范围非常广泛。
在航空器的初步设计阶段，风洞试验可以帮助设计师确定基本的外形和气动布局。
通过对不同外形方案的测试和比较，筛选出具有较好气动性能的设计概念。
在详细设计阶段，风洞试验则用于优化机翼、机身、尾翼等部件的形状和尺寸，以提高航空器的升力、减小阻力、增强稳定性和操纵性。
风洞试验的类型多种多样。
低速风洞主要用于模拟航空器在起飞、着陆和低速飞行时的气流情况；高速风洞则能够模拟超音速和高超音速飞行条件；而跨音速风洞则专门用于研究航空器在跨音速区域（约08 至 12 倍音速）的复杂气动现象。
此外，还有低温风洞、高温风洞等特殊类型的风洞，以满足不同环境条件下的试验需求。
在进行风洞试验时，模型的制作是一个关键环节。
模型通常需要按照一定的比例缩小，并且要保证与真实航空器在外形、结构和表面粗糙度等方面具有相似性。
模型的材料选择也很重要，既要具有足够的强度和刚度，又要尽量减轻重量，以减少对试验结果的影响。
为了准确测量气动力和力矩，模型上会安装各种传感器，如压力传感器、应变片和天平系统等。
风洞试验中的测量技术也在不断发展和创新。
传统的测量方法包括压力测量、力和力矩测量等。
随着技术的进步，先进的测量手段如激光测速技术、粒子图像测速技术（PIV）和流动显示技术等得到了广泛应用。
这些技术能够提供更加详细和准确的流场信息，帮助研究人员深入了解航空器周围的气流特性。
piv原理
piv原理PIV原理的基本思想是通过在流体中注入细小的颗粒或者在流场中存在的颗粒，利用高速摄像技术记录颗粒在连续两幅图像中的位置变化，然后根据颗粒的位移计算出流体在两幅图像之间的平均速度。
这样我们就可以获得流体流动的速度分布图，进而研究流体的流动特性。
PIV原理的应用非常广泛。
首先，在航空航天领域，PIV技术可以用于研究飞机、导弹等高速物体周围的气流流动情况，帮助设计更加流线型的飞行器，提高其飞行效率。
其次，在汽车工程领域，PIV 技术可以用于研究车辆行驶时的空气动力学特性，改善车辆的操控性能和燃油经济性。
此外，PIV技术还可以应用于研究水流、河流、海洋中的流动情况，帮助优化水利工程和海洋工程的设计。
在实际应用中，PIV技术需要依靠一些专用的设备和软件来实现。
首先，需要使用高速摄像机来记录颗粒在流体中的运动，通常需要使用高帧率的摄像机以捕捉快速流动中的颗粒运动。
其次，还需要使用一种激光器和透镜系统来照亮流场中的颗粒，以便摄像机能够清晰地看到它们。
最后，需要使用专门的PIV软件来对摄像机拍摄的图像进行处理和分析，计算出流体的速度分布。
虽然PIV技术在流体力学研究中有着广泛的应用，但也存在一些限制和挑战。
首先，颗粒的大小和浓度会对测量结果产生影响，因此需要根据具体情况选取合适的颗粒材料和浓度。
其次，流场中的颗粒运动可能会受到其他因素的干扰，如湍流、涡旋等，这些干扰可能会引起测量误差。
此外，PIV技术对于非透明流体的应用也存在一定的限制，因为透明颗粒在非透明流体中很难被观测到。
PIV原理是一种用于研究流体流动的重要技术。
通过记录流场中颗粒的运动轨迹，可以计算出流体的速度分布，进而研究流体的流动特性。
PIV技术在航空航天、汽车工程、水利工程等领域有着广泛的应用前景，但也面临着一些技术挑战和限制。
随着科学技术的不断发展，相信PIV技术会在未来取得更加广泛的应用和进步。
风力机流场PIV试验研究
２．１①３．２ｍ风洞 低速空气动力研究所的①３．２ｍ风洞是一座开闭口两用的回流式风洞，试验段截面为直径３．２ｍ
的圆形，试验段长度５ｍ。试验采用开口试验段避免洞壁干扰，气流偏角ｌＡａｌ、ＩＡｌ３１＿＜ｏ．５０，轴向静压 梯度０．００４３ｍ’１。该风洞流场品质满足ＧＪＢｌ １７９．１９９１《高速风洞与低速风洞流场品质规范》的规定， 满足风力机ＰＩＶ试验的要求。 ２．２风力机模型
试验的风力机模型为ＮＲＥＬ风力机（该风力机的风轮直径１０ｍ，２片线性尖削、非线性扭转分 布的叶片，采用￥８０９翼型，风轮转速７２ｒｐｍ，输出功率２０ｋＷ）的１／８缩比简化设计模型，风轮直 径为１．２５ｍ。风轮系统的桨毂和叶片均根据原有模型直接进行缩比。为简化设计起见，在设计中将 桨毂的跷跷板连接形式改为刚性连接形式，并且取消了桨距角伺服电机控制系统，改为州定桨距角。 其余平台、传动系统、发电机、整流罩、回转体、尾舵、支撑系统等均由低速空气动力研究所自行 设计制造。
在舶尾迹站位角范围可达６００．叶尖涡的存在时间约Ｏ．１５ｓ，到视场边缘才趋于消敢（闰３）。 ２）尖速比较低时，容易出现叶尖涡。尖速比约０，３时，叶失涡昂明显：尖速比超过Ｉ时，基本
观测不到明显的叶尖涡存在。 ３）相同尖速比下，风力机有偏航角时，叶尖涡相对略弱。 ４）叶尖涡顺流运动到支轩处立即破碎消失（图４）。
风轮转速通过可调电阻型负载调二１了’转速范围３０＂－＇６００ｒｐｍ。 ２．３ ＰｌＶ系统
试验采用了二维ＰＩＶ系统。Ｖｌｉｔｅ－－５００激光器使用两台脉冲激光器经过光束合束器通过一个光 路出口并且空间上严格重合地发射出来，经过导光臂和片光源系统，产生照明流场的脉冲激光片光 源。数字相机通过外部触发捕捉两帧图像，同时将捕捉到的一系列图像数据通过图像采集板实时地 传输到计算机内存中。触发信号由同步控制器提供，从而保持与脉冲激光器的完全同步。
风洞综述(实验流体力学课程设计)
实验空气动力学课程设计(风洞综述) .概念及原理风洞(wind tunnel )，是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是空气动力学实验最常用、最有效的工具。
它不仅在航空和航天工程的研究和发展中起着重要作用在交通运输、房屋建筑、风能利用和环境保护等部门中也得到越来越广泛的应用。
原理:用风洞作实验的依据是运动的相对性原理。
为确保实验准确模拟真实流场，还必须满足相似律的要求。
但由于风洞尺寸和动力的限制，通常只能选择一些影响最大的参数进行模拟。
此外，风洞实验段的流场品质，如气流速度分布均匀度、平均气流方向偏离风洞轴线的大小、沿风洞轴线方向的压力梯度、截面温度分布的均匀度、气流的湍流度和噪声级等必须符合一定的标准，并定期进行检查测定。
.风洞发展简要回顾风洞设备的发展大致经历了低速风洞发展阶段、超声速风洞发展阶段、跨声速风洞发展阶段、高超声速风洞发展阶段、风洞设备更新改造和稳定发展阶段、风洞设备发展适应新需求、探索新概念风洞发展阶段。
20世纪90年代，随着经济全球化和型号发展数量的减少，一方面，风洞设备在数量上呈现出过剩状态；另一方面，又缺少能满足未来型号精细化发展要求的高性能风洞。
三.近期风洞改造和建设工业生产型风洞的更新改造最主要特点是风洞设计的多功能性、可扩展性、技术的先进性，风洞建设也呈现出创新的特点。
主要包括：吸收试验段内的大部分噪声, 提高风洞试验Re或模拟能力等。
另外还有：感应热等离子体风洞（通过高频电发生器以感应偶合的方式将亚声速或超声速射流加热到极高温度（5000C〜10000C）,这种等离子风洞主要用于防热研究）四.风洞发展的未来趋势1）“安静”气流风洞不仅气动声学风洞需要“安静”的风洞，高品质的任何类型风洞都需要“安静”的风洞。
2）亚声速高升力飞行风洞风洞Re模拟能力直接影响试验数据的准确性。
经过多年论证研究,NAS提出了高升力飞行风洞（HiLiFT ）的概念。
PIV原理及其应用
PIV原理及其应用PIV是Particle Image Velocimetry的缩写，意为“粒子图像测速”，是一种用于测量流场速度和流体运动行为的非接触式光学测量技术。
它通过将流场中的小颗粒（通常是悬浮在液体中的粒子）作为示踪物来进行测量，利用高速摄像机等设备捕捉颗粒图像，并通过图像处理和分析获取流场的速度和速度矢量分布信息。
PIV的基本原理是利用颗粒在流场中随流动变化的速度来获取流场速度信息。
具体操作过程包括以下几个步骤：1.示踪颗粒标记：在流体中添加适量的颗粒（通常是微米级的粒子），这些颗粒应具有足够的密度和散射光的特性，以便使它们能够被摄像机捕捉到。
2.图像获取：使用高速摄像机等设备对流场中的颗粒进行连续的图像捕获。
由于颗粒会在流场中运动，因此在时间序列上连续获取的图像可以反映出颗粒的运动轨迹。
3.图像处理：对连续捕获的图像进行处理，以识别和跟踪颗粒的位置。
通常使用相关算法、互相关算法或相关算法和追踪算法的组合来实现。
4.速度计算：根据颗粒在相邻图像之间的位移，计算每个颗粒的瞬时速度。
可以根据这些速度数据获取流场的速度分布和速度矢量图像。
PIV技术具有许多应用领域，以下列举其中几个典型的应用：1.流体力学研究：PIV技术可以用于测量液体和气体的粘性、湍流、湍流结构、边界层行为等流体力学性质。
通过获取流体流动的速度分布和速度矢量图像，可以对流体的流动行为进行详细的分析和研究。
2.空气动力学研究：PIV技术可以用于测量飞机、汽车、船舶等物体周围的气流速度和流场结构。
这对于设计和优化运输工具的气动外形、减少阻力和气动噪声等方面具有重要意义。
3.涡流研究：PIV技术可以用于测量涡流的速度、旋转方向和强度等特性。
涡流是流体中旋转速度明显高于周围流体的局部区域，它在空气动力学、流体力学和气象学等领域中都有重要的研究价值。
4.生物流体力学研究：PIV技术可以用于测量生物流体中的速度分布，如心脏血流、肺部气流、细胞运动等。
低速风洞及其试验原理介绍
1、空气动力学研究的基本手段有哪些，各有什么优缺点？答：理论研究、风洞试验和飞行试验①理论研究：指人们根据对空气动力学现象的观察分析，对这些现象进行抽象和简化，描述其本质的数学模型，建立相应的数学物理方程并根据相应的边界条件求解这些数学方程。
主要指数值计算（CFD）技术。
尽管CFD技术在近几十年有了突飞猛进的发展，工程应用日趋成熟，但风洞试验仍是确定飞行器飞行性能的主要手段，CFD尚不能代替风洞试验，而只能作为飞行器设计手段与风洞试验相互补充，而且CFD的发展和可靠性也需风洞试验验证。
②飞行试验：主要指模型的自由飞试验和样机的试飞试验。
飞行试验方法可用来验证风洞试验数据的可靠性，解决那些风洞试验难以解决的问题；飞行试验能克服风洞试验模拟方式上的不真实因素，如流场模拟差异、飞行器尺寸差异（雷诺数和尺度效应）、流动不能完全相似等。
用真实飞行的测量数据来修正风洞试验数据，解决所谓风洞试验数据与飞行数据的相关性问题。
但是，由于飞行试验本身存在一系列误差，精度比风洞试验低得多；存在着费用高、试验条件不稳定、测量方法复杂等缺陷。
③风洞试验：空气动力学的发展史表明，风洞试验是试验空气动力学这门学科发展的的基本手段。
空气动力学的基本现象和基本原理，人们都是通过试验逐步认识的。
空气动力学研究上的重大突破，都首先是试验上的突破，空气动力学的理论本身都是在试验研究的基础上发现和发展起来的。
理论计算只能解决流动的物理机理已经通过试验研究认识清楚的，不是过于复杂的流动问题，但是流动机理方面的研究以及数值计算结果的验证，仍然要依靠试验。
用风洞试验方法来解决空气动力学问题，测量方便，试验参数如气流速度、试验状态易于控制，不受外界条件的影响，且费用较低，而飞行试验的试验条件不容易控制，测量方法复杂。
风洞试验过去和现在一直是发现和确定流动现象、探索和揭示流动机理、寻求和了解流动规律，以及为飞行器设计提供优良的气动布局和空气动力学特性数据的主要手段；在今后的相当长的时期内，这种状况不会改变，并将与其他研究手段更好的相互结合、相互补充、相互促进。
PIV技术在汽车模型风洞中的应用
陈细军 ,谷正气 ,何忆斌 ,袁志群 ,于天恒
(湖南大学 ,汽车车身先进设计制造国家重点实验室 ,长沙 410082)
[摘要 ] 运用粒子图像测速 ( P IV )技术对某类车体纵对称面内的尾部流场进行测量 ;研究了不同雷诺数下尾 部流场的变化 ,并对速度场和涡量场进行定量分析 。结果表明 P IV 技术用于汽车周围复杂流场的测量具有很强的 优势 ,将成为汽车空气动力学试验的一种新的研究方法 。
2 试验设备与方案
类车体模型缩尺比例
为 1 ∶3, 试 验 模 型 是 根 据
CAD 数据模型通过数控机
床加工而成 。模型的长为
1 530mm ,宽为 768mm , 高
为 480mm , 模型的表面 涂
以亚光 黑漆 , 防止 模型 表 面反光 ,影响测量结果 ,试
图 2 试验模型
验模型见图 2。
212 P IV系统设备
图 9 t = 0瞬时涡量场
图 11 t = 1 s瞬时涡量场
图 12 t = 115 s瞬时涡量场
图 10 t = 015 s瞬时涡量场
从图 9～图 14中可以发现尾部流场在不同的时 刻 ,具有不同的形状 ,湍流形态复杂并且涡量的峰值 也不断变化 。整个涡结构的空间分布一直沿伸到 X
= 440mm 附近 , 并且在不同时刻涡量值不断地变 化 。从涡量场分布中还可以看出 ,在尾涡中 ,顺时针 方向的涡量 (涡量为负值 )的峰值基本上是逆时针 (涡量为正值 )峰值的 4倍 ,并且涡占据空间区域大 , 这主要由于车顶部 、侧面的高速气流混合 ,并且流量 大 ,在流向车身尾部时 ,产生很大分离 ,形成高强度 的尾部涡 ,而车底部气流 ,由于流量相对较小 ,在卷 入尾流中 ,所形成的尾涡强度较小 。总之 ,通过瞬态
PIV测试技术及其应用
案例二：在能源领域中，PIV测试技术被用于燃烧设备的研究。通过将示踪粒 子悬浮在燃烧室内，并拍摄粒子图像，可以获得燃烧室内的速度场分布、湍流 度等信息。这些信息对于燃烧设备的优化设计和性能提升具有重要意义。例如， 根据PIV测试结果，可以调整燃烧设备的结构或进气口的位置和大小，以改善 燃烧效率并减少污染物排放。
在能源领域，PIV测试技术也被广泛应用于燃烧室、喷嘴等高速喷射系统的流 动特性研究中。通过PIV测试技术，研究人员可以获得燃烧室内的速度场分布、 湍流度等信息，为燃烧设备的优化设计和性能提升提供依据。
在环保领域，PIV测试技术被应用于大气污染物的扩散和迁移研究。通过PIV 测试技术，研究人员可以获得大气中颗粒物和污染物的速度场分布和扩散路径， 为环保政策的制定提供科学依据。
然而，PIV测试技术也存在一些不足，如对示踪粒子的要求较高、测试范围受 限于激光束的直径、对硬件设备和软件处理能力要求高等。因此，未来的研究 可以针对这些问题进行改进和完善，提高PIV测试技术的可靠性和应用范围。
展望未来，随着科技的不断进步和应用需求的增长，PIV测试技术将在更多领 域得到应用和发展。
PIV测速的基本原理是：将示踪粒子（如烟雾、细小颗粒等）混入待测流体中， 这些示踪粒子会随着流体的运动而运动。利用高频率的脉冲激光束对流体进行 照射，并使用图像传感器对反射回来的光束进行拍摄，得到示踪粒子的位置和 运动状态。通过对拍摄的图像进行数字处理和分析，可以得到流体的速度分布 情况。
PIV测速技术具有以下优点：
参考内容
基本内容
PIV测试是流体动力学研究中的一种重要技术，其基本原理是利用示踪粒子在 流体中的跟随性，对流体流动进行可视化测量和描述。示踪粒子的性能是影响 PIV测试精度和可靠性的关键因素之一。本次演示将探讨PIV测试中示踪粒子 性能的影响因素及其作用原理。
PIV技术在直接空冷模型风洞实验中的应用
理机制， 为人们建立并发现新的流动现象， 建立新的概念和物理模型提供依据 ［】 １。
ＳＩ ＳｅｅｓｏｉＰｒｃ ｍ ｇ ｅ ｃ ｔ ） 目前 国际上 一 种先 进的 流场定量 测量 ＰＶ（ｔｒ ｃｐｃ ａｔｌ Ｉ ａｅＶ ｌ ｉ ｒ 是 ｏ ｉｅ ｏ ｍｅｙ
技术 ， 它克服了热线／ 激光多普勒测速只能测量单点的限制 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 以采集到某一瞬间的空间 可
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第２ ３卷第 ３ 期 ２０ ０ ６年 ９月
气 动 研 究 与 实 验 Ａ Ｒ Ｄ Ｎ ＭＩ Ｅ Ｅ Ｒ Ｈ ＆ Ｅ Ｐ ＲＭＥ Ｔ Ｅ Ｏ Ｙ Ａ ＣＲ Ｓ Ａ Ｃ ＸＥ Ｉ Ｎ
Ｖ １２ ， ． ｏ ． ３ Ｎｏ ３
Ｓ ｐ， ０ ６ ｅ ．２ ０
１３ ． Ｐｌ Ｖ
中航气动院的 ＰＶ系统是 Ｓ Ｉ Ｉ ＰＶ系统， 是一种在流场中同时多点 （ 例如几千点） 测量 流体或粒子速度矢量的光学图像技术， 通常在流场的 “ 平面薄片” 中进行测量， 首先两个
摄像 机分 别测 量 出平 面 中的二维速 度 ，然后通 过 一系列 的计算 合成 出垂直 与片光 平面 的 法 向速 度分 量 ，得 到空 间 流场的 三维速 度矢量 。 Ｓ Ｉ ＰＶ系统 主要 由成像 系统 和分 析显示
因此开展不 同风速和风向情况下空冷系统及周围流场特性的研究 ， 弄清楚影响空冷凝汽
器 散热效 果 的主要 因素 ， 出改进 措施 的方 法是 十分 必要 的 。 给 流动 显 示 与测 量技 术 作 为 实 验 空气 动 力学 的一 项 重要 研 究 手段 在风 洞实 验 中被 广 泛 应用 ，在风 洞 中通过 各种 显示 与 测量技 术可 以 了解 复杂 的流 动现 象 ，探 索其复杂 的物
风洞实验报告
1.5
0.5
0.9
1.2
1.6
1.5
1.8
1.8
CP（下）
0.2
-1.5
-0.8
-0.3
0.3
0.2
0.7
0.7
12
上截面
4.6
4.6
4.6
4.7
4
1.2
4.1
1.5
CP（上）
4.7
4.7
4.7
4.9
3.9
-0.1
4.0
0.3
下截面
1.4
0.5
1.0
1.2
1.5
1.4
1.8
1.9
CP（下）
0.1
2. 翼型低速压强分布测量试验
实验风速固定、迎角不变时，翼面上第i点的压差为
，(i=0;1,2,3,……)（1）
气流的动压为，
（2）
、 分别为空气密度和压力计工作液酒精密度。
于是，翼面上第i点的压强系数为
（3）
表1：NACA0012翼型测压孔位置参数
测压孔数目
0
1
2
3
4
5
6
7
8
x位置（mm）
0
5
10
2.4
2.6
1.7
2
1.5
CP（下）
3.5
0.5
2.25
2
2.5
0.25
1
-0.25
0
上截面
2.5
1.8
1.7
2.4
2.3
1.8
2.1
1.8
CP（上）
3.5
0
-0.5
3
低速风洞性能试验技术研究与优化
低速风洞性能试验技术研究与优化随着现代航空工业的快速发展和飞机制造的不断提升，低速风洞性能试验技术成为航空领域中一项极为重要的研究内容。
低速风洞性能试验技术主要用于研究飞机在低速条件下的飞行性能，对于飞机的设计改进和性能优化有着至关重要的作用。
本文将探讨低速风洞性能试验技术的研究与优化。
低速风洞性能试验是通过模拟低速飞行条件，在实验室或风洞中进行的一种飞行试验。
试验中主要通过测量飞机在低速条件下的升力、阻力、侧向力以及其他相关参数，以评估飞机的飞行性能和飞行品质。
在低速风洞性能试验中，常常使用风洞作为试验设备，通过模拟飞机飞行时的气动环境，准确地测量飞机在低速条件下的各项性能指标。
首先，低速风洞性能试验技术的研究与优化需要关注试验设备的准确性和可靠性。
风洞是低速风洞性能试验的重要设备，其准确性和可靠性对试验结果的可信度具有决定性作用。
研究人员需要对风洞进行精确校准，并进行定期维护和检修，以确保试验设备的正常运行和准确测量。
此外，还需关注低速风洞性能试验的其他相关设备和仪器，确保其精度和可靠性。
其次，低速风洞性能试验技术的研究与优化需要关注试验参数的选择和控制。
试验参数的选择对于低速风洞性能试验结果的准确性和可比性至关重要。
研究人员需要根据实际情况，合理选择试验参数，如飞行速度、迎角、攻角等，并进行精确控制和测量。
在试验过程中，还需要关注环境条件的控制，如温度、湿度等因素的影响，并进行适当的调整，以确保试验结果的准确性。
此外，低速风洞性能试验技术的研究与优化还需要关注数据采集和分析的方法与技术。
试验数据的准确采集和合理分析是研究和优化的关键步骤。
研究人员需要选择合适的数据采集设备和方法，确保数据的实时、准确和可靠采集。
同时，还需要运用合适的数学模型和统计方法对试验数据进行分析，以获得有关飞机低速风洞性能的科学结论和有效建议。
最后，低速风洞性能试验技术的研究与优化需要关注试验结果的解释和应用。
试验结果是低速风洞性能优化的重要参考依据，研究人员需要深入分析试验结果，找出存在的问题和不足，并提出相应的优化建议和改进措施。
PIV简介
PIV简介该PowerView PIV 系统能用于一个空间的三维速度场的瞬态测量。
测量对象为水流或气体流动。
其应用范围涵盖了从低速风洞到超音速流动，从液体流动到气体流动流场的测量。
本系统由以下主要部件组成：脉冲激光器，片光源，专用于PIV测量的CCD，高速图像数据接口板，同步器，图像分析系统，计算机（最终用户提供配套）。
产品供应商为美国TSI 公司。
PIV技术是在流场显示基础上，利用近期发展的计算机图象处理技术对流场显示进行定量化测量，从而实现对流场的瞬态测量，其应用范围涵盖了从低速风洞到超音速流动，从液体流动到气体流动流场的测量。
PIV技术在本质上是图象分析技术的一种，它采用两个时间间隔很短的两个脉冲光源照亮所需要测量的流场，利用CCD将所照明的流场中的示踪粒子记录下来，利用计算机进行图象处理得到速度场的信息。
系统组成如上图所示。
PIV系统主要由四个部分构成，包括：光源、摄像头、同步控制系统、图象采集和矢量计算。
仪器介绍：PIV是粒子图像测速仪的简称，它是九十年代后期成熟起来的流动显示技术的发展。
它能够同时测量一个面上几万个点的速度，是激光技术、数字信号处理技术、芯片技术、计算机技术、图像处理技术等高新技术发展的综合结果。
其原理如下：由脉冲激光器发出的激光通过由球面镜和柱面镜形成的片光源镜头组，照亮流场中一个很薄的（1－2mm)面；在于激光面垂直方向的PIV专用跨帧CCD相机摄下流场层片中的流动粒子的图像，然后把图像数字化送入计算机，利用自相关或互相关原理处理，可以得到流场中的速度场分布。
基本组成：脉冲激光器，染料激光器（PLIF系统），显微镜以及配套物镜片（MicroPIV系统），光源镜头组，光臂，PIV专用跨帧CCD相机，3维标定系统，配套镜头，处理软件。
TSI的PIV系统有着独特的专利技术：Hart相关算法能够节约大量的处理、运算时间（提高30多倍），提高测量精度和分辨率，提高单位面积的速度矢量，可以保持高分辨率的情况下测量大流场。
piv粒子发生器原理
piv粒子发生器原理
Piv粒子发生器原理主要是利用高速电机带动风轮，使空气加速，再通过小孔喷出气体，在气体喷出时，产生自然扩散和外力强吹，形成龙卷风式漩涡，使空气中的尘埃颗粒、有害气体、异味等被吸附到空气中，形成微粒。
具体来说，它通过以下步骤实现这一目标：
1. 利用风洞设计产生高速的气流：通过风洞的设计，Piv粒子发生器能够产生高速的气流，这些气流在机器运行时会将周围空气中的微粒吸附到机器内部。
2. 产生自然扩散和外力强吹：气体在喷出时会产生自然扩散和外力强吹，这两种力量的结合能够确保机器能够有效地吸附空气中的微粒。
3. 利用高分子材料过滤网：Piv粒子发生器通常配备有高效过滤网，如HEPA滤网，该滤网能够有效吸附空气中的微粒，并阻止它们再次散发到空气中。
通过以上步骤和装置，Piv粒子发生器能够有效地吸附空气中的微粒，并减少室内空气中的有害物质，提高空气质量。
同时，不同的Piv粒子发生器可能还会配备其他功能，如负离子发生器等，以提高空气质量并实现其他功能。
三维旋转水平轴风力机流场的PIV试验和数值模拟
三维旋转水平轴风力机流场的PIV试验和数值模拟高翔;胡骏;王志强;张晨凯【摘要】通过粒子图像测速仪(Particle image velocimetry ,PIV)测量和定常计算流体力学(Computational fluid dy-namics ,CFD)数值模拟相结合的方法,对某三维旋转水平轴风力机模型的流场展开研究.在风洞开口实验段,来流风速为8 m/s ,针对不同尖速比(λ＝4 ,8)利用 PIV技术对风力机叶片的瞬时速度场进行测试.通过定常CFD数值模拟,获得了风力机叶片在相应工况下的流场细节.在8 m/s来流风速下,当尖速比大于7 .4时,试验测得的风轮扭矩和风能利用率与数值模拟结果趋于一致.尖速比小于7 .4时,试验测得的扭矩值低于计算值,其风能利用效率也较低.通过速度矢量分布可以看出,在λ＝4时,PIV测得靠近叶根的两个截面 S1,S2在叶背有明显的流动分离,CFD结果中仅在 S1截面叶背存在流动分离,S2截面叶背存在低速区.在λ＝9 .8时,PIV和CFD结果均显示叶片绕流流场没有流动分离.尝试采用Gamma Theta转捩模型进行了数值模拟,在考虑了层流影响后,计算所得风轮扭矩更加接近试验值.%A three-dimensional horizontal axis wind turbine model is tested and numerically studied .The test is carried out in a laboratory wind tunnel .With PIV measurement ,the flow fields around the blade in varied rotating speed and wind speed are obtained .Furthermore ,the test result is compared with CFD simulation to study the flow fields in moredetail ,especially the graphs of the velocity vector ,un-der different operating conditions .The relatively good agreement between the test and numerical results is achieved in some conditions .Besides ,under some conditions ,the test results are different from the numerical ones .To find the reason of the difference ,the numerical simulation with transitionmodel is carried out .Results show that with a consideration of laminar flow and transition process ,the calculated wind turbine torque is closer to the test value .【期刊名称】《南京航空航天大学学报》【年(卷),期】2018(050)003【总页数】8页(P375-382)【关键词】粒子图像测速;计算流体力学;水平轴风力机;速度矢量分布;转捩模型【作者】高翔;胡骏;王志强;张晨凯【作者单位】南京航空航天大学能源与动力学院,南京,210016;山东交通学院航空学院,济南,250357;南京航空航天大学能源与动力学院,南京,210016 ;南京航空航天大学能源与动力学院,南京,210016 ;中国航天空气动力技术研究院,北京,100074【正文语种】中文【中图分类】TK83风力机的气动性能研究对现代风能利用有重要意义。
PIV入门介绍
确保粒子合适浓度 生产跟随性、散射性好的粒子
扩大测速范围 降低PIV的花销 针对特殊用途的PIV设备:如Prob-PIV
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Micro-PIV
17
TR-PIV技术
18
PIV combined with PLIF
19
TR-PIV圆柱后小区域测量
20
结束
空间互相关函数
R fgx,y fx0,y0gx0x,y0yd x0d y0
13
四、测速原理
自相关两次FFT 互相关三次FFT
14
五、PIV的发展现状
3D-PIV技术：从二维到三维
Stereoscopic PIV Dual Plane Stereoscopic PIV Holographic PIV
PIV基本组成部件
7
二、实验装置
8
二、实验装置
典型的PIV系统
示踪粒子以及待测流场 摄像头 高功率激光器 光路 同步装置 连接激光器和
透镜的光导纤维
9
三、实验方法
STEP 1 在流场中布撒大量示踪粒子（如固体粒子、 液滴或气泡）
STEP 2 使用激光片光源照射流场待测切面 STEP 3 使用CCD记录示踪粒子位置 STEP 4 应用计算机分析图像并计算所测区域内粒子
速度 STEP 5 得到流场速度并计算其他参数
10
三、实验方法
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四、测速原理
双曝光的图象
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四、测速原理
自相关函数
R ft ff f* f td f* tfd
互相关函数
R fg t fg f* g td f* tg d
空间自x,y0yd x0d y0
精度高，测速范围大
美国全尺寸风洞中的PIV系统
美国全尺寸风洞中的PIV系统战培国【摘要】PIV技术已成为大型风洞重要的流动测量和显示工具.在概述美国全尺寸风洞发展现状的基础上,重点阐述美国国家全尺寸空气动力设施全尺寸风洞中的PIV系统设计,探讨PIV技术在全尺寸风洞中应用需注意的问题,为国内大型风洞中PIV应用提供参考.【期刊名称】《航空科学技术》【年(卷),期】2017(028)011【总页数】4页(P1-4)【关键词】全尺寸风洞;PIV;流动显示【作者】战培国【作者单位】中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所,四川绵阳621000【正文语种】中文【中图分类】V211.7流动显示是认知飞行器与空气相互作用机理、分析气动现象、改进气动设计的重要试验研究手段，测量显示结果也是计算流体动力学（CFD）工具验证的重要参考。
在流动测量和显示领域，粒子图像测速（PIV）技术得到广泛应用，发展了二维/二分量、二维/三分量、全息/三分量、解析时间、微型等多种PIV测量形式，形成了多种品牌的PIV商业化产品，如美国的TIS、德国的Lavision、丹麦的Dantec等[1~3]。
从20世纪90年代后期开始，国外PIV应用开始从小型研究风洞进入大型工业生产风洞，主要用于飞行器复杂流场诊断和CFD工具验证[4~6]。
2009年，在美国航空航天局（NASA）基础航空计划亚声速旋翼机项目的需求牵引下，NASA在全尺寸风洞中建立了PIV测量系统[7]。
1 美国全尺寸风洞风洞试验段尺寸是风洞试验能力的一个重要指标，它决定着风洞能够承受的最大试验模型尺寸。
为了最大限度地满足风洞试验模拟相似条件的要求，减少模型缩尺带来的试验数据不确定度影响，美国在20世纪30年代开始发展全尺寸亚声速风洞。
1.1 兰利全尺寸风洞（LFST）1931年，美国国家航空咨询委员会（NACA ，NASA前身）兰利航空实验室建设了双回路布局、椭圆开口试验段的兰利全尺寸风洞（LFST），试验段尺寸：9m （高）×18m（宽）×17m（长），试验风速54m/s。
低温风洞的原理及应用
低温风洞的原理及应用一、低温风洞的原理低温风洞是一种用于模拟低温环境下的空气流动的实验设备。
其原理主要包括以下几个方面：1. 空气压缩原理低温风洞首先通过压缩机将大气中的空气进行压缩，使其达到高压状态。
然后，通过冷却装置将高压空气冷却到低温状态，从而实现低温环境的模拟。
2. 温度控制原理低温风洞通过控制冷却装置中的制冷剂的流量和温度，来控制低温风洞内的温度。
制冷剂的流量和温度的控制可以通过电子控制系统实现，从而精确地调节低温风洞的工作温度。
3. 空气流动原理在低温风洞内，空气流动是通过风扇或喷嘴等装置产生的。
通过调节风扇或喷嘴的转速、角度和位置等参数，可以控制空气在低温风洞内的流动方式和速度。
二、低温风洞的应用低温风洞在航空航天、汽车工程、建筑工程等领域有着广泛的应用。
以下是低温风洞在不同领域的具体应用：1. 航空航天工程在航空航天工程中，低温风洞被用于测试和验证飞行器的气动性能。
通过模拟高空低温环境，可以评估飞行器在不同飞行速度和姿态下的气动性能，为设计和改进飞行器提供依据。
2. 汽车工程低温风洞被广泛应用于汽车工程中的气动性能测试。
通过模拟低温环境下的气流，可以评估汽车的空气动力学特性，包括空气阻力、升力和尾迹等。
这些数据对于改善汽车的燃油效率和稳定性具有重要意义。
3. 建筑工程低温风洞在建筑工程中的应用主要用于建筑物的风荷载测试。
通过模拟低温风，可以评估建筑物在不同气流条件下的结构安全性和稳定性。
这对于设计和建造高层建筑具有重要的指导意义。
4. 其他应用领域除了航空航天、汽车和建筑工程领域外，低温风洞还可以应用于能源工程、环境工程、生物医学工程等领域。
例如，在能源工程中，低温风洞可以用于研究风力发电机的性能；在环境工程中，低温风洞可以用于模拟高海拔地区的气象条件；在生物医学工程中，低温风洞可以用于研究人体在低温环境下的生理反应。
三、总结低温风洞是一种重要的实验设备，能够模拟低温环境下的空气流动。
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第12卷 第2期流体力学实验与测量V o l.12,N o.2 EXPER I M EN T S AND 1998年6月M EA SU R E M EN T S I N FLU I D M ECHAN I CS Jun.,1998 P IV在低速风洞中的应用Ξ刘宝杰 王光华 高 歌北京航空航天大学,北京 100083袁辉靖北京大学特赛流动测量研究中心,北京 100871 摘要 利用在线式P I V系统,采用互相关的分析方法,以较高雷诺数下圆柱绕流和翼型尾流为例,对P I V在低速风洞实验研究中的应用作一简要介绍,旨在表明当前P I V技术的一些特点及其用于风洞实验研究的潜力。
实验中所采用的P I V系统,反映了近几年来P I V技术的一些新特点:一体化大能量双激光器系统、T S I公司的互 自相关CCD和高速帧采集板(F ram e Grabber)等。
关键词 在线式P I V;互相关;风洞测量;圆柱绕流;翼型尾流 中图号 V211.7;O357.50 引 言 P I V(粒子图像测速技术)是在流动显示技术的基础上,利用图像处理技术发展起来的一种新的流动测量技术,通过跟踪示踪粒子来判断速度的大小和方向。
当前P I V作为一种可靠的整体测量技术,获得了普遍的接受。
P I V技术的重要特点就是突破了空间单点测量技术的局限性,可在同一时刻记录下整个测量平面的有关信息,从而可以获得流动的瞬时平面速度场、脉动速度场、涡量场和雷诺应力分布等。
因此P I V非常适于研究涡流、湍流等复杂的流动结构,这是其它单点测量技术难以或无法做到的。
同时现在的P I V系统还具备了与单点测量仪器(如激光多普勒风速计LDV等)相当的空间分辨率。
因此即使仅限于二维测量,P I V也是一种先进的研究复杂流动的定量工具。
此外,三维P I V技术在近几年内也获得了较大的发展,期望在不久的将来能应用于实际流动测量。
风洞是流体力学研究的基本手段,一直受到了较高重视。
风洞的测量方法随着测试技术的飞速发展,也一直在不断地完善之中。
由于P I V技术的上述发展,将P I V直接应用于风洞等大型实验设备的研究,在国际已经得到了普遍的认可,实际应用的例子越来越多。
本实验是利用在线式P I V系统,以低速风洞中的圆柱绕流和翼型尾流为例,对P I V 在低速风洞实验研究中的应用作一简要介绍,旨在表明当前P I V技术的一些特点,及其应用于风洞这类大型实验设备研究的潜力。
本实验中所采用的P I V系统的配置,基本上体现了近几年发展并成熟起来的P I V系统的一些特点:如一体化大能量的双激光器系统Ξ:19971006(0.2J Pu lse );互 自相关CCD ;高速的图像采集板;以及基于W indow s N T 4.0的32位的图像采集、分析和后处理软件等。
由于上述技术的应用,使该系统具备了采集图像的实时显示和分析的能力。
在实际测量中,恰当的示踪粒子生成和散播,是P I V 这类设备取得好的测量结果的关键技术之一。
根据P I V 测量对示踪粒子的要求,并结合风洞的实验条件,本文作者通过合作开发了适于P I V 、LDV 等激光测速仪使用的L Z L 系列粒子发生器,基本可以满足这些实验的要求。
1 实验设备和方案1.1 低速风洞 本实验是在北京航空航天大学航空发动机国防科技气动热力重点实验室的多功能低速风洞中完成的,该直流式风洞采用了后部吸气方式(如图1所示),其矩形切角闭口式实验段的尺寸为0.56m ×0.8m ×1.5m 。
风洞的流场校测结果如表1所示。
图1 低速风洞结构示意图F ig .1 Sketch of the low speed wi nd tunnel表1 流场校测结果Table 1 W i nd tunnel f low f ield character istics动压稳定性:Γ≤0.5%速度均匀性:ΡV ≤0.5%紊流度:Ε≤0.25%平均气流偏角:∃Α≤0.3°∃Β≤0.3°轴向静压梯度:L d C P d X ≤0.5%稳定风速范围:10～80m s1.2 在线式P IV 系统1.2.1 脉冲式双Nd :Yag 激光器系统 在本P I V 系统中采用的激光器系统,是由两台N d :Yag 激光器及光路调整系统封装成一体的。
激光器的工作频率为10H z ,每个脉冲能量为200m J ,两激光器脉冲间隔的可调整范围为200n s 到0.1s ,因此可以满足从低速到高速流动的测量需要。
1.2.2 互 自相关CCD 对于高像密度的图像,其典型的从中提取粒子位移,进而获得速度的方法是自相关和互相关。
由于自相关函数的对称性,在自相关中通常要用到图像偏置或图像滞后等技术以解决位移方向的模糊问题。
而在互相关中,由于已知两帧图像的时间顺序,位移的方向问题也就解决了。
由于在互相关计算时只有一个信号峰值,而且在最理想的互相关计算中,没有粒子对的损失,所以互相关对粒子图像的分析能力有较大提高。
为了在较高速度下采用互相关的方法,不但需要新研制出的互 自相关CCD 摄像机,65流体力学实验与测量(1998年)第12卷而且还需结合“跨帧”技术和数据矩阵快速传输技术。
本实验中所使用的互 自相关CCD 摄像机的分辨率为640×480像素,采集速度为30帧 秒;所用的图像采集板支持60M s 的传输速率。
以上这些技术使得互相关的方法对于大多数的低速流动测量都是可以采用的。
1.2.3 图像采集软件 P I V 系统的控制和分析软件为In sigh t N T ,其工作平台是W indow s N T 4.0。
该软件具备连续捕获1000帧的高分辨率(1k ×1k )图像的能力;具有批处理功能,可以实现对不同的图像在相同的位置进行速度场分析。
1.2.4 P I V 系统布置及参数设置图2 P I V 系统示意图F ig .2 P IV syste m conf iguration P I V 系统的布置如图2所示。
在本实验中采用同步器使N d :Yag 激光器系统和R S 2170CCD 相匹配,在同步器上可以设置激光的工作方式(双脉冲式)、CCD 的工作方式、脉冲的延迟时间和双脉冲的时间间隔等。
CCD 、同步器和激光器的工作时钟匹配如图3所示。
系统工作时,CCD 的帧同步信号是主同步信号,同步器通过捕捉CCD 的脉冲信号,然后根据所设定的脉冲延迟时间和脉冲间隔时间来准确地控制激光器的发光。
图3 P I V 系统工作时钟示意图F ig .3 P IV syste m ti m i ng di agram CCD 的工作频率为30帧 秒,每两帧图像之间的最小时间间隔约为15Λs 。
受激光器的工作频率(10H z )的限制,系统的最大图像采集率为20帧 秒。
由于互相关需要两帧图像来进行图像分析,这样系统最大采样率为10个速度场 秒。
本实验采用一个由球面镜(FL :1000mm )和柱面镜(FL :200mm )组成的光学组件,将激光变为所需的片光。
在CCD 的采集区域内,片光的厚度小于1.0mm ,CCD 采集区域的大小约为40mm ×30mm 。
根据A drian (1990)数值模拟的研究表明,P I V 系统的若干参数的选择应遵循如下原则(互相关与其略有差别[6]): N I >10～20,即每个查问域内有效的粒子对应该多于10对。
这个要求是为了获得较高的有效数据率,而其实际上是对实验时散播的示踪粒子浓度提出了限制。
查问域(判读域)内的粒子对数目不仅取决于粒子散播的浓度,还取决于查问域的大小和激光脉冲之间75第2期刘宝杰等:P I V 在低速风洞中的应用的间隔。
u 2+v 2∃t <14d I M,即最大的粒子位移为查问域大小的25%。
这个要求是为了提高查问域中的有效粒子对的百分比,获得较高的有效数据率。
粒子位移与查问域尺寸之比,可以通过改变查问域的尺寸、图像偏置量和激光脉冲之间的间隔来实现。
w ∃t <14∃z 0,即粒子在垂直激光片光平面方向的最大位移为激光片光厚度的25%,该参数是为了防止有效粒子对的损耗。
为了控制这个参数,可以调节激光片光的厚度和激光脉冲之间的间隔。
∃u u<0.2,即查问域内速度的相对变化量不超过20%。
为了控制这个参数,应使查问域足够小,从而使得单个矢量能够充分地描述该测量点的流动状态。
1.2<D 0<1.5(D 0=∃6 d I ),即查问域内粒子影像最小的位移应该大于粒子影像直径的1.2倍,而小于粒子影像直径的1.5倍。
针对本实验所用的P I V 系统的配置,根据以上原则以及相应的实验风速,系统的几个参数的选择如下:脉冲的间隔时间:20～50Λs ;脉冲的延迟时间:83.265m s ;查问域为64×64P ixels (4.86mm ×4.86mm )。
1.3 示踪粒子 在运用P I V 系统进行流动测量时,成功的示踪粒子产生与散播是获得理想的测量结果的保障,也是制约P I V 应用的限制条件之一。
为了能够准确测量高速流动、湍流和分离流等复杂流动,示踪粒子必须具备:良好的跟随性;对所用激光有较高的散射率;而且在测量域内散播的示踪粒子浓度必须恰当。
因此示踪粒子从产生到散播,都必须精心设计。
示踪粒子的跟随性主要取决于粒子的直径,粒子的密度和形状等参数也有一定的影响。
在定常加速流中,L ou renco (1994)计算了粒子直径对粒子跟随性的影响,其结果表明:较大的粒子在强加速流动中存在明显的滞后;为了较好地跟踪高速流动,示踪粒子的直径应在0.5Λm 左右。
根据P I V 测量对示踪粒子的要求,结合风洞的实验条件,本文作者通过合作开发了适于P I V 、LDV 等激光测速仪使用的L Z L 系列粒子发生器。
L Z L 21型粒子发生器是针对P I V 测量而开发的,其工作原理示意图如图4所示:物料由直流调速泵注入蒸发器,在蒸发器中加热至合适的温度,然后喷入粒子混合器,在粒子混合器中冷凝成烟雾并与空气均匀混合后输出(见图4)。
L Z L 系列粒子发生器具有较高的控温精度,从而保证了所生成的图4 L Z L 21型粒子发生器原理示意图F ig .4 Sketch of the particle generator pr i nc iple 粒子质量;为了提高其工作的可靠性,该系列粒子发生器还设置了低液位警告,超、低温保护及报警功能。
L Z L 系列粒子发生器的主要特点如下:可连续、均匀、稳定地发烟粒径范围为0.6～1.2Λm可以更换物料对人体无害85流体力学实验与测量(1998年)第12卷良好的经济性 为了保证示踪粒子散播时不干扰流场,在本实验中,示踪粒子是由粒子发生器出口通过导管直接引到风洞入口处的,导管的末端接有一圆转方的扩张段。