流动显示
复杂流动显示实验报告
---复杂流动显示实验报告一、实验目的1. 理解并掌握复杂流动的基本概念及其显示方法。
2. 通过实验，观察和分析复杂流动的动态特性。
3. 学会使用先进的测量技术，如粒子图像测速（PIV）和激光诱导荧光（LIF）等，对复杂流动进行可视化分析。
4. 培养实验操作能力和数据处理能力。
二、实验原理复杂流动是指具有多种流动现象和流动结构的流动，如湍流、涡流、边界层流动等。
为了研究这些流动，我们需要对它们进行可视化分析。
本实验采用粒子图像测速（PIV）和激光诱导荧光（LIF）两种方法对复杂流动进行观察和分析。
三、实验设备与材料1. 实验设备：粒子图像测速系统、激光诱导荧光系统、数据采集卡、计算机、分析软件等。
2. 实验材料：激光、悬浮粒子、透明液体等。
四、实验步骤1. 准备实验装置：将实验设备安装好，调整好激光束和悬浮粒子，确保实验条件满足要求。
2. 采集数据：启动数据采集系统，调整实验参数，如激光功率、曝光时间等，进行数据采集。
3. 数据处理：将采集到的数据导入计算机，使用分析软件进行处理，得到流动速度场、浓度场等信息。
4. 结果分析：根据实验数据，分析复杂流动的动态特性，如涡流、湍流等。
五、实验结果与分析1. 粒子图像测速（PIV）实验结果：- 通过PIV实验，我们观察到复杂流动中的涡流和湍流现象。
在实验过程中，激光照射到悬浮粒子上，粒子在流动中被照亮，形成图像。
通过分析图像，我们可以得到流动速度场。
- 结果显示，在复杂流动中，涡流和湍流现象普遍存在，且涡流的大小和形状随时间变化而变化。
2. 激光诱导荧光（LIF）实验结果：- 通过LIF实验，我们观察到复杂流动中的浓度场分布。
实验过程中，激光照射到荧光物质上，荧光物质被激发，产生荧光信号。
通过分析荧光信号，我们可以得到浓度场信息。
- 结果显示，在复杂流动中，浓度场分布不均匀，且存在明显的浓度梯度。
六、实验结论1. 复杂流动中存在多种流动现象，如涡流、湍流等，这些现象对流动特性产生重要影响。
流动显示实验实验报告
一、实验目的1. 理解并掌握动态显示技术的基本原理；2. 学习数码管与单片机的连接方法；3. 掌握段代码表的推算及数据表的使用方法；4. 熟悉C语言编程方法，实现动态显示效果。
二、实验原理动态显示技术是一种通过快速切换数码管上的各个段来显示数字或字符的方法。
由于人眼具有视觉暂留效应，当切换速度足够快时，人眼无法分辨出各个段的变化，从而形成连续的显示效果。
三、实验设备与材料1. 计算机；2. 单片机实验箱；3. Proteus软件；4. Keil软件；5. 数码管；6. 电阻；7. 连接线。
四、实验步骤1. 硬件连接：将数码管连接到单片机的P0口，并确保连接正确无误；2. 软件编写：使用Keil软件编写程序，实现动态显示效果；3. 烧写程序：将编写的程序烧写到单片机中；4. 观察现象：打开单片机实验箱，观察数码管上的显示效果。
五、实验内容1. 编写程序，实现数码管上显示数字0-9的动态效果；2. 修改程序，实现数码管上显示特定字符的动态效果；3. 分析程序，了解动态显示的工作原理。
六、实验结果与分析1. 编写程序，实现数码管上显示数字0-9的动态效果（1）程序代码如下：```c#include <reg51.h>#define SEGMENT P0void delay(unsigned int ms) {unsigned int i, j;for (i = 0; i < ms; i++)for (j = 0; j < 120; j++);}void displayNumber(unsigned char num) {switch (num) {case 0: SEGMENT = 0x3F; break;case 1: SEGMENT = 0x06; break;case 2: SEGMENT = 0x5B; break;case 3: SEGMENT = 0x4F; break;case 4: SEGMENT = 0x66; break;case 5: SEGMENT = 0x6D; break;case 6: SEGMENT = 0x7D; break;case 7: SEGMENT = 0x07; break;case 8: SEGMENT = 0x7F; break;case 9: SEGMENT = 0x6F; break;default: SEGMENT = 0x00; break;}}void main() {unsigned char i;while (1) {for (i = 0; i <= 9; i++) {displayNumber(i);delay(500);}}}```（2）程序分析：程序通过定义一个段码表来控制数码管的显示，循环显示数字0-9。
流动显示作业
f 2 1 n f n L 2 L ak n y aK y
f 2 1 n f n L 2 L ak n x ak x
Rc
对于二维密度场：
Rc
或
f 2 n 0 1 L a k 0 y
f 2 n0 1 L ak 0 x
图 2-1 脉动火焰纹影图 杨艺等【2】使用纹影技术获得了瓦斯爆炸的纹影图，并根据纹影图案对瓦斯爆炸哦分 形特征进行了研究。陈元迪等【3】采用纹影摄影技术和高速摄影法结合观察分析了氢气和 空气预混合燃料在定容燃烧室内的火花点火燃烧过程， 揭示了预混合氢气燃料在定容燃烧室 内燃烧时火焰初期紊流产生的机理， 以及由开始的层流状火焰发展到湍流状火焰的过程。 如 图 2-2 所示：
Rc
或
f2 f 2 aK aK
f2 f 2 ak ak
1 n L n y dz
1 n dz L n x
Rc
减小 ak 可提高对比度，因此光源通常为长条形，高度方向与待测梯度方向垂直。 对二维场，折射率导数沿光线传播方向是常数，则上式变成：
Rc
或
董文杰 SA13013004 流动显示作业
laminarburningvelocityofhydrogen-airpremixedflames[J] ． InternationalJournal ofHydrogenEnergy，2010，350)：1812—1818． [10] IbarretaAF ， SungCJ ． FlametemperatureandlocationmeasurementsofsootingpremixedBunsenflame sbyrainbowschlierendeflectometry[J]．AppliedOptics，2005，44(17)：3565-3575.
电子制作-LED流动显示电子钟
电子制作:LED流动显示电子钟电子钟有：指针式、液晶式、LED式三种。
前两种在光线较暗时就看不清楚，后一种一般采用数码管显示，体积较大，多用于公共场所，不太适合家用。
为此，笔者设计制作了一款LED流动显示电子钟，体积小巧，字形美观，且每天有4次闹铃，每次定时时间一到，蜂鸣器响20s，非常实用。
本制作采用64只LED排列成8乘以8点阵，采用流动循环显示方式。
右图所示即是18:28时间的显示效果。
1.工作原理本制作的硬件电路如下图所示。
主控电路图118:28时间显示效果图是非常便宜的89C2051单片机，c5、R6组成它的上电复位电路，Yl、C6、C7组成它的时钟电路。
Pl口作数据总线用，LED点阵的列数据(1～8)由IC2锁存，单片机的P3、2端口输出锁存正脉冲。
LED的行扫描信号(A～H)由IC3锁存，单片机的P3、3端口输出正脉冲锁存信号，按键状态由IC1读取，单片机的P3、5端口输出负向读取脉冲。
外接5v电源(可用一般的市售稳压电源)由Xl输入，无电时由内置的4.5V电池维持IC4的继续工作，以防计时中断。
本制作的软件部分相对复杂，限于篇幅，此处仅介绍显示方法。
以显示2为例，首先IC2输出00001110，IC3输出01111111使A行为低电平，其余行都是高电平，略延时后，IC2再输出00010001，IC3输出10111111使B行为低电平，其他行都是高电平，依此类推，IC2轮流输出00010001、00000010、00000100、00001000、00010001、00011111,IC3轮流使C、D、E、F、G、H端为低电平。
在显示下一行前，IC3输出一次短暂的11111111信号关断显示(相当于消隐)，以防上一行的残影叠加在下一行中。
如此循环即可显示一个静止的2。
第二章经典流动显示技术
29
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30
§2.2 纹影法 (Schlieren Photography)
Schlieren (from German; singular “Schliere”) by 德国物理学家August Toepler 1864
图2-4 双透镜纹影仪的原理图
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光路分析
最近发展起来的激光全息和电子散斑 干涉计量技术，也是依靠光线在气流 中的位相变化来定量地研究气流中密 度或温度的空间分布。
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4
由以下进一步的理论分析可知，
1.阴影法可以用来确定折射率二阶导数 的分布；
2.纹影法和散斑照相法可用来确定折射 率一 阶导数的分布；
3.干涉法通常用来定量研究折射率本身 的分布。
Δy
a
f2
y , y
f2
q
y
1
1
f2 q
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由物、像距之关系:
1 1 1
pq
f2
前式变成：
y
1 f2
1 q
y p
a f2
因为： y ,所以： a
(2-2)
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10
光线的偏转角为
'
2Z y
1 n y
c0
t
n
1 n
Z
y
(2-3)
3.流动显示技术
《现代流体测试技术》第三章流动显示技术刘宝杰，于贤君2015/6/15通过直观的影像可以看到什么？简单的物理现象可以揭示复杂的科学问题这些短片显示了气流的流动状态，都属于流动显示的范畴将看不见或者看不清的流动现象观测记录下来的方法就是流动显示。
要将复杂的流动现象显示出来，往往需要人为的创造条件，这就会形成不同的流动显示技术。
人们如何从“天圆地方”的认识转变到“地球是圆的”？人们的认识如何从“地心说”转变到“日心说”？人们从对各种物理现象的认识总是从最基本的感性层次开始，然后随着认识的加深而加以修正。
为什么要学习流动显示技术？•湍流的发现（O. Reynolds，1883）•激波的发现（E. Mach，1888）•附面层的发现（L. Prandtl，1904）•涡街（V. Karman，1919）•脱体涡流型（20世纪60年代）•湍流拟序结构/相干结构（S. J. Kline，1967）•大迎角分离流型（20世纪80年代）流体力学发展中的任何一次学术上的重大突破，及其应用于工程实际，几乎都是从对流动现象的观察开始的。
为什么要学习流动显示技术？⏹Da. Vinci（达. 芬奇，1452-1519）与流动显示湍流⏹Da. Vinci（达. 芬奇，1452-1519）与流动显示钝体绕流⏹O. Reynolds（雷诺，1842-1912）与流动显示Different Flow Phenomena in Tube流动显示技术的发展历史⏹Ernst Mach（马赫，1838-1916）与流动显示全尺寸风洞中车辆周围的烟线现代科学努力构造的世界图像不是来自推测，而是尽可能地来自事实，并依靠观察加以证实。
——马赫·E⏹L. Prandtl（普朗特，1875-1953）与流动显示Boundary Layer⏹S. J. Kline平板湍流附面层拟序结构的发现（Kline，1967）流动显示技术的发展历史达·芬奇雷诺马赫、普朗特Kline 被动记录（记录）主动观测（显示并记录）客观创造（创造环境，显示并记录）科学分析（有针对性地深入分析研究）科学技术发展的历史展示了人们对科学问题逐步认识的过程，也是我们研究问题最为合适的思考途径。
流体力学实验_第五章
§5.4 流动显示的光学方法
1. 适用范围 光学显示方法：利用流场的光学性质，如流体的密 度变化会造成光学折射率或传播速度的变化，通过 适当的光学装置可以显示流体的流动特性。
流场的温度、压力、浓度和马赫数等状态参数与密度 有确定的函数关系，而流体的光学折射率是其密度的 函数，因此下列流动可以采用光学流动显示的方法：
分光镜 补偿片
单色 点光 源
全反镜
风洞实验段
屏幕
40
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
干涉条纹 41
§5.5 流动显示技术的新发展——定量的流 动显示和测量技术
1. 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。
照明光源：高亮度的白光碘钨灯
25
26
27
3. 荧光微丝法
采用直径为0.01 ~0.02mm的合成 纤维丝，经柔化 和抗静电处理， 使微丝染上荧光 物质，粘贴于模 型表面。
光源：采用连续 紫外光源
照相：选用合适 的滤光片
Flourescent minitufts on aircraft wing
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）
流场显示实验_贾林江
北京航空航天大学能源与动力工程学院专业综合实验报告班 级 100415 学 号 10041152姓 名 贾林江 评分 实验名称：涡轮叶栅流场显示实验 实验日期一、实验目的1、熟悉流动显示的实验方法，掌握通过实验观察来帮助认识流动机理这一重要的科研方法；2、认识涡轮叶栅内复杂的非定常流动现象。
二、实验内容1、在水槽中，利用氢气泡法流场显示技术显示涡轮叶栅分别在－20°、0°、20°不同攻角情况下中间叶高通道内的非定常流场，认识不同攻角下涡轮叶栅压力面、吸力面附近以及通道中部的流动特点；2、在水槽中，利用氢气泡法流场显示技术显示涡轮叶栅分别在－20°、0°、20°不同攻角情况下中间叶高叶片尾迹的非定常流场，认识不同攻角下涡轮叶片尾迹的流动特点；3、在水槽中，利用氢气泡法流场显示技术显示涡轮叶栅分别在－20°、0°、20°不同攻角情况下涡轮端壁区二次流的非定常流场，认识不同攻角下涡轮叶栅端壁区前缘马蹄涡、通道涡、端壁附面层、叶背附面层、角区流动等以及它们相互作用、相互影响的非定常特点；4、在水槽中，利用氢气泡法流场显示技术显示涡轮叶栅分别在－20°、0°、20°不同攻角情况下涡轮端壁泄漏流的非定常流场，认识涡轮叶栅存在叶尖径向间隙后不同攻角下叶栅端壁泄漏流、泄漏涡、前缘马蹄涡、通道涡、端壁附面层、叶背附面层、角区流动等以及它们相互作用、相互影响的非定常特点，帮助理解涡轮内的流动现象。
三、实验设备1、回流式水槽图4.2 水槽平面图水槽为上下循环的闭式结构，全长6.8米，分为四个部分：加速段，回流段，整流段和实验段。
其中水槽上层工作段长3000mm，宽700mm，高550mm；实验段长1000mm，宽700mm，高500mm（约数，视水位而定）。
水槽以叶轮机驱动水循环，来流速度在0～0.12m/s内连续可调。
数码管流动显示12345678
学号天津城建大学嵌入式系统及应用课程设计设计说明书数码管流动显示12345678起止日期：2015 年11月15日至2015 年11月27 日学生姓名班级成绩指导教师(签字)计算机与信息工程学院2015年11 月27 日课程设计报告书题目: 数码管流动显示12345678学生姓名：学生学号：院名：专业：任课教师：目录摘要 (II)第一章课设总述 (1)1.1单片机概述 (1)1.3课题研究的目的和意义 (1)1.4课题的主要研究工作 (1)第二章系统硬件介绍及设计 (2)2.1AT89C51简介 (2)1.2数码管7SEG-COM-AN-BLUE介绍(7段数码管) (3)2.2硬件电路图 (4)2.3元件清单 (4)第三章系统软件设计 (5)3.1程序描述 (6)3.2程序流程图 (6)第四章系统调试 (7)4.1在PROTEUS中仿真 (7)参考文献 (7)摘要1.内容：利用动态扫描让八位数码管稳定的显示1、2、3、4、5、6、7、82.目标：（1）掌握单片机控制八位数码管的动态扫描技术，包括程序设计和电路设计，本任务的效果是让八位数码管稳定的显示12345678。
（2）用PROTEUS进行电路设计和实时仿真3.知识点链接（1）数码管动态扫描（动态扫描的定义以及与静态显示的区别）动态显示的特点是将所有位数码管的段选线s一位数码管有效。
选亮数码管采用动态扫描显示。
所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。
（2）总线的应用元器件与总线的连线P0口的接线采用总线方式，详细如电路图1所示。
①选择总线按钮②绘制总线：与普通电线的绘制方法一样，选择合适的起点、终点单击。
如果终点在空白处，左键双击结束连线。
画总线的时候为了和一般的导线区分，我们一般喜欢画斜线来表示分支线。
此时我们需要自己决定走线路径，只需在想要拐点处单击鼠标左键即可。
数码管流动显示12345678
学号天津城建大学嵌入式系统及应用课程设计设计说明书数码管流动显示12345678起止日期：2015 年11月15日至2015 年11月27 日学生姓名班级成绩指导教师(签字)计算机与信息工程学院2015年11 月27 日课程设计报告书题目: 数码管流动显示12345678学生姓名：学生学号：院名：专业：任课教师：目录摘要 ......................................................................................................................................................1.内容：利用动态扫描让八位数码管稳定的显示1、2、3、4、5、6、7、8 .........................................2.目标： .......................................................................................................................................................（1）掌握单片机控制八位数码管的动态扫描技术，包括程序设计和电 .............................................3.知识点链接 ...............................................................................................................................................2.2数码管7SEG-COM-AN-BLUE介绍(7段数码管) (2)主程序 (5)摘要1.内容：利用动态扫描让八位数码管稳定的显示1、2、3、4、5、6、7、82.目标：（1）掌握单片机控制八位数码管的动态扫描技术，包括程序设计和电路设计，本任务的效果是让八位数码管稳定的显示12345678。
LED点阵实验 (左右上下流动显示)
******************************************************************************************/
#include <REG51.H>
unsigned char code taba[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f}; //纵条表
unsigned char code tabb[]={0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80}; //衡条表
/*************延时函数*********************/
void delay1(void)
{
unsigned char i,j,k;
{
P2=taba[7-i];
P0=0xff;
delay1();
}
}
for(j=0;j<3;j++) //从上到下3次
{
for(i=0;i<8;i++) //循环8次逐条点亮8个LED点阵灯
{
P2=0x00;
P0=tabb[7-i];
delay1();
}
}
for(j=0;j<3;j++) //从下到上3次
/*****************************************************************************************
**
*LED点阵实验(左右上下流动显示)*
*说明通过P0和P2作为点阵接口*
chapter92w
m) (µ 0
油膜显示
风洞实验举例
本实验室的彩色纹影
微型超声速风洞
灯泡
烙铁
电吹风
蜡烛
激波的彩色纹影
超声速风洞模型实验
运动激波绕过障碍物
跨声速风洞模型实验 炸药爆炸
超声速飞行弹丸瞬态流场显示
阴影 阴影
纹影
干涉
自研制激光全息干涉流场显示系统
水下爆炸波与有机玻璃板作用
实验
十字柱状爆炸波干扰 激波-爆炸波干扰
不起动
8＃模型，喉道高度7.5mm,M=5.5, T0=760K, P0=1.05Mpa
进气道非定常振荡过程
7＃模型，喉道高度13.2mm,M=5.5, T0=760K, P0=1.05Mpa
7＃模型，喉道高度13.2mm,M=5.5, T0=1300K, P0=3.0Mpa
起动状态纹影、丝线显示对比
实验条件
JB-430激波风洞（旧）
KDJB-500激波风洞（新）
三面压缩进气道模型
2－D进气道模型（唇口位置和高度可调）
技术途径
实验为主，结合数值模拟
●激波风洞实现所需流动
● 高速纹影、丝线、油流等显示 ● 热流、压力测量等
多级压缩拐角分离控制 Flow
（同侧激波/边界层干扰）
226-11
228-11
第四类激波/激波干扰的非定常振荡
拍摄速度：10万帧/s 播放速度：50帧/s
斜掠体激波/激波干扰
Type Ⅲ
前 掠
后 掠 10°
Type Ⅴ
前 掠
20° 30°
后 掠
20°
实验和数值模拟流场对比
反射斜激波点火
（点击下面影片）
《三角翼前缘涡流动显示实验》
《三角翼前缘涡流动显示实验》实验指导书空气动力学与风洞实验室2007年6月三角翼前缘涡流动显示实验一、实验目的1. 掌握染色流动显示技术的基本原理、应用方法和实验过程中的技术问题。
2. 观察随攻角变化，三角翼前缘涡的形成和结构特征、前缘涡破裂现象和特性，利用所学知识分析实验结果。
二、基本原理流动显示技术是流体力学的两个基本测试手段之一（另一个是定量测量，如测力、测压等）。
流动显示是通过一定的技术手段使绕物体的流动可视化的一种流体力学实验方法。
一方面可以用来验证理论分析和数值模拟的结果，另一方面对无法用理论分析和数值模拟方法进行研究的复杂流动现象，流动显示方法可以得到一些重要结果。
通常水中流动显示结果要比空气中效果好，并且实验技术成熟、易于实施，费用低。
水洞中常用的流动显示技术有氢气泡方法和染色方法等（属于示踪粒子方法），配以激光片光源等辅助手段可以得到很多有意义的细节结果。
染色显示技术选用有色液体作为示踪物质。
色液的物理性质（如比重和运动粘性系数等）要求尽量和水接近以满足跟随性要求。
为了清晰地显示并减少对设备的污染和腐蚀，要求所用色液不易扩散、不易附着于物体，腐蚀性小，流动性好，不易沉淀和透光性小。
常用的色液包括墨水、食品色、高锰酸钾溶液等。
除此之外，染色流动显示实验中要求色液注入速度在大小和方向上应和当地水流一致，尽可能避免对流场产生不适当的影响，如明显的射流等。
绕三角翼的前缘分离涡结构稳定，流动显示效果好。
关于三角翼前缘涡的形成和结构特征、涡破裂等现象既有理论研究价值又有很强的航空航天应用背景。
机翼前缘分离涡可产生非线性涡升力，增大飞机升阻比；另一方面同时伴随有侧向力；旋涡破裂会导致升力迅速下降。
绕大后掠尖前缘三角翼典型流动现象：小攻角时仅出现气泡分离；中等攻角（α=20o～25o）时，形成两个大涡，三角翼表面上存在再附和二次分离现象；大攻角时出现对称涡和非对称涡结构。
α=35 o～40o时，对称涡结构转变为非对称涡结构。
背景纹影技术的发展文献综述
背景纹影技术的发展文献综述流动显示技术是人们在研究流体过程中逐步发展起来的，它使空气或水等流体的流动变得肉眼可见，让人们能够直观地观察各种流动现象。
流体力学发展中理论与实践的重大突破基本上都是从对流动现象的观察开始的。
流动显示技术最早可以追溯到1883年的雷诺实验【1】，这门实验技术至今己经发展了一百多年，在流体力学、空气动力学、燃烧学、航空航天工程等方面都得到了广泛应用【2】。
流动显示技术可以分为三大类：（１）示踪粒子流动显示技术；（２）表面流动显示技术；（３）流动显示的光学方法【3】。
粒子示踪流动显示技术是在空气或水等无色透明的流体中加入一些可见的粒子，如烟、蒸汽、氢气泡等，这些外加的示踪粒子会跟随流体微团一起流动，从而将流动现象显示出来。
表面流动显示技术是在风洞（或者水洞）中的试验物体表面放置示踪物质或涂上某些涂层，流体在该试验物体周围流动会使示踪物质或涂层在物体的表面勾画出某种图画或者改变涂层的颜色【4】，据此来获得流体的某些流动特性。
流动显示的光学方法则是利用流场的光学性质，通过光学的方法来显示流体的流动，测量流场的某些物理参数。
同其他两类流动显示技术相比，流动显示的光学方法有许多优点：（１）非接触测量，不干扰待测流场。
因为光学流动显示技术不需要在流场中加入示踪粒子或放置传感器，所以不会对待测流场的状态产生影响；（２）反应速度快，可以实现对流场参数的实时瞬态测量；（３）既能提供直观形象的流动图谱，又能获得流场的某些定量测量数据【5】。
图1 流场物理参数与流动显示的光学方法之间的相互关系流动显示的光学方法的主要装置中都包含一组平行或者发散的光束，当光线经过流场时，若流场折射率分布不均匀，光线会同时发生两种类型的变化：（１）光线传播方向偏离原方向；（２）相较于未扰动光线，经过流场的扰动光线发生了相移。
流动显示的光学方法的基本原理就是根据光线经过流场时发生的上述两种类型的变化来确定流场折射率变化。
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流动显示实验
一、实验目的
1．在水洞中观察飞机模型周围流谱。
2．通过调节水槽中水流速度、观察不同绕流物体周围流形变化，进一步了解层流流动与湍流流动的区别、卡门涡街的产生、流动分离现象等流体流动规律。
3．学习设计流动显示方法。
二、实验装置及用品
1．水洞水槽联合实验台（水洞及水槽部分示意图分别如下）
2．飞机模型及绕流物体
本实验所用绕流物体是内部空心(以利灌装染色液)，外形为单一圆柱体、组合圆柱体、三角断面柱体、矩形断面柱体、翼型等部件。
3． 实验用品
本实验所用物品主要是固体高锰酸钾、溶解杯、注射针头等。
三、实验步骤
1． 水洞观察飞机模型绕流
1.1 将高锰酸钾溶液加入到飞机模型的染色管道中，并打开染色管道控制阀；
1.2 开启水泵，待试验段注满水后，控制出水阀来调节流速；
1.3 待流动稳定后，记录下游流量计上所读取的流速值，观察流动显示现象； 1.4 调节流速，观察并记录不同流速下的流动现象。
2． 水槽观察圆柱绕流
2.1 将高锰酸钾溶液加入到开孔的单圆柱模型中，将其放入水槽中；
2.2 开启水泵，使试验段尽量注满水，控制出水阀来调节流速；
2.3 待流动稳定后，记录下游流量计上所读取的流速值，观察流动显示现象； 2.4 调节流速，观察并记录不同流速下的流动现象； 2.5 更换双圆柱模型，重复实验过程。
四、实验现象观察与分析 1. 水洞观察飞机模型绕流现象
（1）流速确定方法
水洞实验段截面为边长a=250mm 的正方形，流量计测量位置为内径d=100mm 的圆，流量计直接测得流速为0u ，则实验段流速按如下公式计算：
002
20221257.0250
41001416.341u u u a d
u =⨯⨯==π （2）流动显示现象
控制出水阀，在不同流速下观察流场变化
（3）实验分析
在整个实验过程中，能够直观明显地观察到流动从层流到过渡流到湍流的发展过
程。
流体的流动状态可以用雷诺数来量化，雷诺数是流体惯性力与黏性力比
值的量度，它是一个无量纲量。
当流速很小时，雷诺数较小，黏滞力对流场的影响大于惯性力，流场中流速的扰动会因黏滞力而衰减，流动稳定，流体分层流动，互不混合，为层流；逐渐增加流速，雷诺数也随之增加，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；当流速增加到很大时，雷诺数较大，惯性力对流场的影响大于黏滞力，流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，形成紊乱、不规则的湍流流场。
流态转变时的雷诺数值称为临界雷诺数。
一般管道雷诺数Re ＜2320为层流状态，Re ＞4000为湍流状态，Re ＝2320～4000为过渡状态。
在本次实验中，实验模型为迎角为30°安装的翼身融合体，特征长度（模型长
度）近似为L=0.1m ，水的运动粘性系数为s m /1001.12
6-⨯=ν，雷诺数为ν
uL
=Re 。
以管道流动作为参考。
当s m u /0176.0=时，1700Re ≈=ν
uL
，雷诺数小于临界雷
诺数，流动为层流；当s m u /0339.0=时，3300Re ≈=ν
uL
，雷诺数增大，流动处
于过渡状态；当s m u /0503.0=时，4900Re ≈=ν
uL
，雷诺数大于临界雷诺数，流
动为湍流；当流速继续增加时，
2. 水槽观察圆柱绕流现象
（1）流速确定方法
水槽实验段截面为宽为a=200mm ，水深h ，流量计测量位置为内径d=100mm 的圆，流量计直接测得流速为0u ，则实验段流速按如下公式计算：
020220041001416.341u h
u ah d
u ⨯⨯==π
但在实验过程中，无法测得水深h ，而仅知道水注满时h=200mm 。
又由于水槽下游水箱储水能力小，经常发生溢出现象，所以在实验过程中很难保持实验段为注满状态。
所以本实验报告中仅以流量计所测得流速定性分析，不做定量计算。
（2）观察流动显示现象 （3）实验分析
单圆柱绕流流态与Re 有很大关系，由流体力学知识可知，在Re ≤1时，流场中的粘性力相占主要地位，圆柱上下游的流线前后对称（如图a)，此Re 数范围的绕流称为斯托克斯区；随着Re 的增大，圆柱上下游的流线逐渐失去对称性。
当Re>4时，沿圆柱表面流动的流体在到达圆柱顶点附近就离开了壁面，分离后的流体在圆柱下游形成一对固定不动的对称附着涡，涡内流体自成封闭回路而成为“死水区”（如图b ）；随着Re 的继续增大，死水区逐渐拉长圆柱前后流场的非对称性逐渐明显，此Re 数范围称为对称尾流区。
Re>40以后，附着涡瓦解，圆柱下游流场不再是定常的，圆柱后缘上下两侧有涡周期性地轮流脱落，形成规则排列的涡阵（如图c ），这种涡阵称为卡门涡街；此Re 数范围称为卡门涡街区。
Re>300以后，圆柱后的“涡街”逐渐失去规则性和周期性，但分离点（约82°）前圆柱壁面附近仍为层流边界层，分离点后为层流尾流（如图d ）。
当Re*>200000~400000时，层流边界层随时有可能转涙为湍流，分离点后移至100°以后，湍流时绕流尾迹宽度减小（如图e ））。
本次实验中，雷诺数约为1000左右，观察到非周期性的卡门涡街。
对于串列双圆柱，两圆柱的流场与圆柱间的间距（L)有很大关系，刘松（2000）通过数值模拟发现[1]：当5.2/<D L 时，上游圆柱的分离剪切层非常明显，并附着在下游圆柱上，涡脱落现象只在下游圆柱上出现；当0.4/≥D L 时，两圆柱都发生周期性的涡脱落。
而实验结果表明[2]：在雷诺数为200时，间距L/D=3.6左右为临界值，大则两圆柱均有涡脱落，小则只有下游圆柱上有涡脱落。
这一临界间距随着雷诺数的增大而减小。
本次实验中两圆柱的间距L/D>4，故而两个圆柱上均有涡脱落。
而且由于受到上游圆柱不断甩出的脱落涡的影响，下游圆柱尾流更容易发展成为湍流。
五、实验思考
1． 该实验可否对水槽中流动速度做定量测量、如何测量？
可以定量测量，具体公式已给出，但应在水槽实验段增加测量水深的直尺，且水槽内水面高度很难维持稳定，故测量结果会有较大误差，不适合做定量计算。
2． 你了解的其它流动显示方式有哪些？
流动显示方法有很多，根据实验状态不同分为水流显示、低速气流显示和高速气流显示三类：
水流动显示方法除了此次实验中的着色法，还有悬浮物法、氢气泡法、漂浮物法； 低速气流显示方法括丝线法、荧光微丝法、吹动法、烟流法。
高速气流显示可采用光学显示方法（如阴影法、纹影法、干涉法）和高速摄像技术。
六、参考文献
[1] 刘松，符松，串列双圆柱绕流问题的数值模拟，计算力学学报，第17卷第3期，
2000年8月
[2] Mittal S, Kumar V , & Raghuvanshi A , Unsteady incompressible flow pass two
cylinders in tandem and staggered arrangements[J], International Journal for Numerical Method in Fluids, 1997,25:1315~1344。