流场可视化技术 作业

1,7 —水表 2,5,8,9 —阀门 3 —贮液槽 4 —水泵 6 —数字 CCD 10—被试模型 11—激光器 12—柱透镜 13—三棱镜 图 1.5 DPIV 实验装置
通过实验可以验证上面对U形管的出口截面流 场仿真是否准确。
4 结束语
流体在流道内内的流动是十分复杂的三维流 动，对轴对称结构的流动系统可以采用二维模型进 行简化分析，但对非对称结构的流道，还是需要用 三维模型分析才能有足够的精度，有待今后进一步 研究。 在流场实验可视化研究方面，目前主要集中在 DPIV技术在二维全场测速技术中的应用，从进一步 提高实验可视化源自文库量出发，应将DPIV技术进一步应 用于三维全场测速技术中。
在流体力学研究中所涉及的介质常常是无色、 透明、 不发光的，液压传动与控制技术中所使用的各种复 杂流道是不透明的。液体在管内的流动用肉眼是不 能直接观察到的，为了能直观、形象地描述流体在 管道内的流动状态，就必须提供某种能使流动变成 可见的技术，这样一种技术就叫流动显示技术，或 叫流场可视化技术。流场可视化技术可在短时间内 提供整个流场的信息，并且有不干扰流场的特性， 有些技术还可以从所得图像中导出定量的信息。流 场可视化技术在流体力学研究中具有重要作用，已 经发展成为一种专门的技术阴。流场可视化技术主 要有以下几种:烟迹法、烟线法、氦气泡显示技术、 染色法、全息照相和全息干涉术、散斑照相和散斑 测速、激光诱发荧光技术、激光诱发荧光技术、粒 子图象测速技术PIV(Particle Image Velocimetry) 等。
3 PIV 技术的简介
3.1 PIV 技术基本原理
粒子图像测速技术PW是全场测速技术中的一 种。 PIV技术是一种不干扰流场的无接触式测量， 可 以得到全流场瞬态的速度场，并且容易对流场的其 它物理量如流线、涡量等进行求解。因此它发展迅 速，迄今为止，在二维全场测速技术中，PIV是最成 熟的一种新技术，己迅速变为测速的标准方法。 PIV技术的基本原理回l周是在流场中撒布合适 的示踪粒子，用脉冲激光片光(lightSheet)照射所 测流场切面区域，通过成像记录系统摄取两次或多 次曝光的粒子图像， 形成PIV底片。 再用光学杨氏条 纹法或粒子图象相关等方法逐点处理PIV底片， 获取 每一判读点小区域中粒子图像的平均位移，由此确 定流场切面上多点的二维速度。 PIV系统的工作过程 主要包括撤布粒子、片光源、摄像和图象处理等几 个阶段。 示踪粒子的行为是粒子示踪流场测试技术中存 在的一个普遍问题。PW技术中示踪粒子应满足很多 一般的要求，如无毒、无腐蚀、无磨蚀、化学性质 稳定、清洁，此外还有两个基本要求，即可见度高， 是良好的光散射体;粒子和流体流动之间的相对运 动尽可能小， 能够跟随流动。 这两个要求有些矛盾， 通常粒子的可见度随着它的尺寸的增加而增加，而 尺寸越大， 粒子对流动的跟随性越差[4]。 通常要求 粒子的形状尽可能接近球形，其尺寸大小尽可能地 一致，直径也要尽可能地小一些。 光源的辐射功率、谱分布和脉冲持续时间等对
图 1.2 压力分布云图
出口截面流线图：
专业：机械工程学系
的、易于人们理解的并可以进行交互分析的图形或 图象形式， 把静态的或动态的画面呈现在人们面前， 以加快和加深人们对流场的结构、流动现象及本质 的认识，发现那些仅仅通过数字信息发现不了的规 律，获得意想不到的启发和灵感。计算可视化技术 可以达到缩短研究周期， 提高研究工作效率的目的。 计算可视化的发展和应用是与科学计算可视化 Visualization In Scientific Computing 简称 VISC) 的发展紧密相联的。科学计算可视化是当前计算机 学科的一个重要研究方向，这一科学术语正式出现 于 1987 年 2 月美国国家科学基金会召开的一个研讨 会上。科学计算可视化的形成是当代科学技术飞速 发展的结果[1]。进入 80 年代以后，科学数据的大 量产生与缺乏有效地解释这些数据手段的矛盾日益 尖锐，因此出现了一方面不断产生数据，另一方面 无法及时解释和利用这些数据，而只能把海量的科 学数据储存起来，形成浪费的局面。大容量科学数 据源主要有:超级计算机;卫星发回的地球资源、军 事侦察、气象数据;宇宙飞船发回的数据;射电天文 望远镜;地球物理监测数据、气象和空气动力计算、 医学图像等等。随着科学技术的进步，这些大量数 据源本身生成数据的能力还在不断地增加。人们面 对如此海量的数据是无法及时处理的，导致有很多 高价产生的数据被浪费掉了。科学计算可视化首先 是为了高效地处理科学数据和解释科学数据而提出 并形成的，其次是为解决目前信息交流手段贫乏而 提出的，复杂的数据以视觉形式表现是最容易理解 的，因为图象是沟通思维的最重要手段之一。科学 计算可视化的基本思想是从准备数据，实施计算到 表达结果都由图形或图象来完成或表现，最后结果 也以具有真实感的静态或动态图形来描述。这样科 学可视化作为一种工具，通过将符号信息(数据)转 换成视觉信息(图象)，从而有效地匹配了人右侧大 脑的能力。实现科学计算可视化可大大加快数据的 处理速度，可以在人与数据，人与人之间实现图象 通讯，从而观察到传统的科学计算中不可能观察到 的现象和规律，了解物理过程中发生的现象，并可 通过改变参数对计算过程实现引导或控制。目前正 是科学计算可视化技术研究和发展的黄金时期，科 学可视化技术应用于流体和有限元分析领域，产生 了计算流动可视化[2]和有限元分析可视化[2]，这 两方面的研究国外已处于领先水平，国内这方面的 研究也已有很大发展[3]。
参
1
考 文 献
石教英， 蒋文立编著.科学计算可视化算法与系统.北京:北京 科学出版社. 1996；
2 高殿荣. 液压技术中复杂流道流场的数值模拟与可视化研 究[D]，燕山大学. 2001,5； 3 孙启明. 流动显示的现状和发展. 气动实验与测量控 制.1989;Vol.3(3):9一15； 4 范洁川 等 编著.流动显示与测量. 北京: 机械工业出版 社.1997； 5 颜大椿. 实验流体力学. 北京: 高等教育出版社.1992.1一 120；
专业：机械工程学系
U 形管道流场的数值模拟与可视化讨论
摘要：本文对 U 形管的流场进行了数值模拟，并简要介绍了流场可视化技术的发展及分类，主要介绍了 PIV 技术 的原理及 DPIV 技术的实验系统。并对 DPIV 技术进行了展望。 关键词：U 形管流场 流场可视化 PIV 技术
1 U 形管道流场数值模拟
1.1 基本条件
实际工程应用中，管道内的流动是很常见的， 以下是分析一个 U 形圆管内的流动压力和出口面速 度的情况。如下图所示的圆管。
图 1.3 出口截面流线
出口截面速度云图：
图 1 U 形圆管示意图
其直线段长度为 500mm，半圆弧的半径为 250mm， 管内径为 20mm。流体的性质为：密度为 850kg/m3, 绝对粘度为 0.051Pa·s，入口速度为 1m/s。由雷诺 数的计算式 Re
2.2
实验可视化技术
与科学计算可视化相对应的另一门可视化技术 叫流场的实验可视化技术，亦称为流动显示技术。
专业：机械工程学系
获取图像的质量有很大影响[5]。 光源的强度应足以 使流体中的示踪粒子清晰，同时光强应分布均匀; 光源最好为点光源通过一定的光学系统可形成所需 求的片光源照亮测试面;光源的谱分布应与图像传 感器的敏感光谱区域相匹配;光源脉冲的频率与相 位应与照相同步。 通常的钨丝白炽灯具有连续光谱， 这种灯价格便宜，使用方便，稳定可靠。光的脉冲 可通过控制机械式的光闸来获得。激光光源的单色 性非常好，是流动可视化常用的一种相干光源，有 气体激光器、电介质固体激光器、半导体激光器和 燃料激光器等种类。常用的气体激光器有氦氖激光 器，通常用作为连续光源。
Vd


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可知其小于 2000，因
此在管中呈层流状态。
1.2 仿真结果
压力分布云图：
图 1.4 出口速度云图
2 流场可视化技术分类
2.1 数值计算可视化技术
由于用数值计算方法所得到的液压技术中复杂 流道流场有关物理量的数据量是十分巨大的。如果 不借助于计算可视化技术，把计算所得到的大量数 据转变成便于对流场直观分析和研究的可视化图形 或图象形式，就不可能有效地利用计算数据对流场 进行正确的理解和认识。因此，计算可视化技术在 科学计算中包括对流场的数值计算中占有重要的地 位。计算可视化是依靠计算机本身的能力，把流体 力学数值模拟中涉及与产生的数字信息转化为直观
3.2
DPIV 实验系统简介
DPIV(Digital Particle Image Velocimetry) 是PIV技术的数字化形式，它是一种利用二维片光 源照亮流场中的某一区域而测出该区域内瞬时速度 的测量技术，测量时先在待测流体中均匀投放示踪 粒子，利用满足跟随性的粒子的运动代表当地流体 的运动，通过测量示踪粒子的运动得到流场的速度 分布。图1.5为一DPIV实验装置的基本组成