流体力学实验
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氢气泡流动显示的应用：
氢气泡流动显示水槽中平板湍 流边界层近壁区域大尺度相干 结构的猝发现象（侧视图）
氢气泡流动显示水槽中平 板湍流边界层近壁区域的 低速条纹结构（俯视图）
11
3. 悬浮粒子流动显示 用一些可视的固体微粒或油滴混在水流中，从固
体微粒或油滴的运动状态来了解水流的流动结构。 可用如下材料： 聚苯乙烯微粒 铝粉 蜡和松脂的混合物制成的银白色小球 油滴
流体力学实验理论
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
9
基本装置：
发泡金属丝：一般采用铂丝，其直径应由氢气泡的直径和 流动速度来决定
可控电路装置：直流电源或脉冲电源，电压、脉冲频率和 宽度可调
光源和照相：激光片光源或大功率片光源
在脉冲电压的作用下，沿着阴极线将产生一条条氢泡条 带，随流速发生变形，可反映速wk.baidu.com剖面。
根据脉冲间隔和测量到的氢泡带位移可进行速度测量。 利用数字图像处理技术还可复杂的氢气泡显示图谱进行分析 和定量计算。
面张力作用，更好地显示物体表面附近的流动。
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5. 片光流动显示 片光技术：流动显示中一种照明技术
三维流场：直接拍摄和记录，记录在平面上的图像无空间前 后距离的信息，难以分析。
多个截面上的流动图像 片光显示的基本装置：激光束通过一定的光路系统扩束形成， 包括激光器、球面镜、柱面镜等 设置形式：单片光、多片光、扫描片光、非定常流动片光图 像的脉冲记录技术
发烟电阻丝：铂丝、钨丝或镍铬丝，0.1mm直径 油的选择：发烟白、浓密、无毒、无腐蚀性，粘度较大， 如甘油或石蜡油，在电阻丝上会结成许多小的油珠
1
20世纪60年代对脱体涡流型的研究 70年代湍流拟序结构的发现 80年代对大迎角分离流和分离流型的提出 各种复杂流动（分离流，旋涡流，湍流，非定常流） 的流动机理和应用研究
流动显示：可以对流动现象直接观察，获得流场 直观、清晰的物理图像及流动发展、演化过程的定性 和定量信息，还是发现新的流动现象，建立和改进反 映主要流动特征的理论模型的重要手段。
气流（彩色氦气泡）
5
（2）光学方法：利用流场的光学性质，如气体的光学折射
率是其密度的函数，通过流场的折射率变化来显示某些流动 现象，通常用于高速流场中。
（3）新一代流动显示技术
激光全息方法
激光诱导荧光技术
光学表面测压技术
粒子图像速度场仪（PIV） 定性定量 定常非定常 二维三维
6
§5.2 水流流动显示技术
2
自然界中的流动现象：
大气中的龙卷风
火山喷发
3
2. 流线、迹线和染色线
流线：用来描绘某一特定时刻流场中各点速度方向的曲
线
迹线：流体质点在空间中运动的轨迹，即某一特定的流
体质点在不同时刻速度方向所形成的曲线
染色线：在流场中某个固定M点，对流经M点的流体微
团染上颜色或附加上某些可视的标记，经过某个时间间隔 后，在M点染上色的所有流体微团组成一条染色线，或称 脉线。
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
7
横射流的染色线流动显示
流速比＝2
流速比＝3
射流和横流相互作用下的三维涡环结构
8
2. 氢气泡流动显示
氢气泡流动显示技术出现在20世纪60年代初，适用于 低速水流的流动观察，并可进行定量测量。
基本原理： 水电解后产生氢和氧分子。在实验中，在水流中放置一 根与流动方向垂直的很细的铂丝（直径为10~20μm），以金 属丝为阴极，在水流的下游放一金属片作为阳极，当在两极 之间施加电压时，在阴极丝上就会产生大量氢气泡，跟随水 流向下游流动。
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§4.3 低速气流流动显示方法
1. 烟线流动显示 烟流法
在流场中引入示踪的烟颗粒或有色气体，观察气流的 流动图形。
引入烟流的速度在大小和方向上均应和当地气流一致。 示踪物（烟）：加热容易产生烟雾的油类（煤油、石蜡 油），燃烧木材、卫生香、烟草等，碘气、氯气等有色 气体，四氯化钛或四氯化锡液体吸收空气中的水蒸汽后 产生的白色烟雾等
17
Smoke flow visualization over a wing
18
19
烟风洞：用于形象地显示绕流物体的流动图形或拍 摄流谱照片的低速风洞。
梳 状 导 管 发烟器
实验段
20
烟风洞绕流流谱照片
21
烟丝法
基本原理和装置：
在涂油的细金属丝上通过电流而释放烟雾微粒来显示绕 流流动图谱。
在定常流动中，流线、迹线和染色线相同。
但在非定常流动中，是互不相同的。
4
3. 流动显示方法的分类
（1）示踪粒子流动显示：在透明无色的气流或水流中加
入一些可见的粒子，通过可见的外加粒子跟随流体微团的运 动来使各种流动现象显示出来。 固态示踪粒子：
水流（铝粉、有机玻璃粉末或聚苯乙烯小球等） 气流（烟颗粒） 液态示踪粒子：水流（牛奶、染料溶液） 气态示踪粒子：水流（氢气泡、空气泡）
12
含颗粒射流
Q=19.5ml/s, C=3.813g/l, Ws ≈ 13.2 mm/s
13
Q=23.8ml/s, C=3.374g/l, Ws ≈ 13.2 mm/s
14
4. 漂浮物法
自由表面流动显示：在水面上放置漂浮的粉末或浮标来
观察流动图像，可以采用的漂浮物如 铝粉 石松子粉（药品，淡黄色） 纸花 锯木屑 特制的空心塑料球 在物体绕流实验中，可用石蜡涂在物体表面，可以减小表
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）
氢气泡流动显示的应用：
氢气泡流动显示水槽中平板湍 流边界层近壁区域大尺度相干 结构的猝发现象（侧视图）
氢气泡流动显示水槽中平 板湍流边界层近壁区域的 低速条纹结构（俯视图）
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3. 悬浮粒子流动显示 用一些可视的固体微粒或油滴混在水流中，从固
体微粒或油滴的运动状态来了解水流的流动结构。 可用如下材料： 聚苯乙烯微粒 铝粉 蜡和松脂的混合物制成的银白色小球 油滴
流体力学实验理论
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
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基本装置：
发泡金属丝：一般采用铂丝，其直径应由氢气泡的直径和 流动速度来决定
可控电路装置：直流电源或脉冲电源，电压、脉冲频率和 宽度可调
光源和照相：激光片光源或大功率片光源
在脉冲电压的作用下，沿着阴极线将产生一条条氢泡条 带，随流速发生变形，可反映速wk.baidu.com剖面。
根据脉冲间隔和测量到的氢泡带位移可进行速度测量。 利用数字图像处理技术还可复杂的氢气泡显示图谱进行分析 和定量计算。
面张力作用，更好地显示物体表面附近的流动。
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5. 片光流动显示 片光技术：流动显示中一种照明技术
三维流场：直接拍摄和记录，记录在平面上的图像无空间前 后距离的信息，难以分析。
多个截面上的流动图像 片光显示的基本装置：激光束通过一定的光路系统扩束形成， 包括激光器、球面镜、柱面镜等 设置形式：单片光、多片光、扫描片光、非定常流动片光图 像的脉冲记录技术
发烟电阻丝：铂丝、钨丝或镍铬丝，0.1mm直径 油的选择：发烟白、浓密、无毒、无腐蚀性，粘度较大， 如甘油或石蜡油，在电阻丝上会结成许多小的油珠
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20世纪60年代对脱体涡流型的研究 70年代湍流拟序结构的发现 80年代对大迎角分离流和分离流型的提出 各种复杂流动（分离流，旋涡流，湍流，非定常流） 的流动机理和应用研究
流动显示：可以对流动现象直接观察，获得流场 直观、清晰的物理图像及流动发展、演化过程的定性 和定量信息，还是发现新的流动现象，建立和改进反 映主要流动特征的理论模型的重要手段。
气流（彩色氦气泡）
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（2）光学方法：利用流场的光学性质，如气体的光学折射
率是其密度的函数，通过流场的折射率变化来显示某些流动 现象，通常用于高速流场中。
（3）新一代流动显示技术
激光全息方法
激光诱导荧光技术
光学表面测压技术
粒子图像速度场仪（PIV） 定性定量 定常非定常 二维三维
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§5.2 水流流动显示技术
2
自然界中的流动现象：
大气中的龙卷风
火山喷发
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2. 流线、迹线和染色线
流线：用来描绘某一特定时刻流场中各点速度方向的曲
线
迹线：流体质点在空间中运动的轨迹，即某一特定的流
体质点在不同时刻速度方向所形成的曲线
染色线：在流场中某个固定M点，对流经M点的流体微
团染上颜色或附加上某些可视的标记，经过某个时间间隔 后，在M点染上色的所有流体微团组成一条染色线，或称 脉线。
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
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横射流的染色线流动显示
流速比＝2
流速比＝3
射流和横流相互作用下的三维涡环结构
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2. 氢气泡流动显示
氢气泡流动显示技术出现在20世纪60年代初，适用于 低速水流的流动观察，并可进行定量测量。
基本原理： 水电解后产生氢和氧分子。在实验中，在水流中放置一 根与流动方向垂直的很细的铂丝（直径为10~20μm），以金 属丝为阴极，在水流的下游放一金属片作为阳极，当在两极 之间施加电压时，在阴极丝上就会产生大量氢气泡，跟随水 流向下游流动。
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§4.3 低速气流流动显示方法
1. 烟线流动显示 烟流法
在流场中引入示踪的烟颗粒或有色气体，观察气流的 流动图形。
引入烟流的速度在大小和方向上均应和当地气流一致。 示踪物（烟）：加热容易产生烟雾的油类（煤油、石蜡 油），燃烧木材、卫生香、烟草等，碘气、氯气等有色 气体，四氯化钛或四氯化锡液体吸收空气中的水蒸汽后 产生的白色烟雾等
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Smoke flow visualization over a wing
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烟风洞：用于形象地显示绕流物体的流动图形或拍 摄流谱照片的低速风洞。
梳 状 导 管 发烟器
实验段
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烟风洞绕流流谱照片
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烟丝法
基本原理和装置：
在涂油的细金属丝上通过电流而释放烟雾微粒来显示绕 流流动图谱。
在定常流动中，流线、迹线和染色线相同。
但在非定常流动中，是互不相同的。
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3. 流动显示方法的分类
（1）示踪粒子流动显示：在透明无色的气流或水流中加
入一些可见的粒子，通过可见的外加粒子跟随流体微团的运 动来使各种流动现象显示出来。 固态示踪粒子：
水流（铝粉、有机玻璃粉末或聚苯乙烯小球等） 气流（烟颗粒） 液态示踪粒子：水流（牛奶、染料溶液） 气态示踪粒子：水流（氢气泡、空气泡）
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含颗粒射流
Q=19.5ml/s, C=3.813g/l, Ws ≈ 13.2 mm/s
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Q=23.8ml/s, C=3.374g/l, Ws ≈ 13.2 mm/s
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4. 漂浮物法
自由表面流动显示：在水面上放置漂浮的粉末或浮标来
观察流动图像，可以采用的漂浮物如 铝粉 石松子粉（药品，淡黄色） 纸花 锯木屑 特制的空心塑料球 在物体绕流实验中，可用石蜡涂在物体表面，可以减小表
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）