现代流体测试技术-考试试题

2013-2014学年第一学期现代流体测试技术期末试题

一、什么是测量，举例说明3种流动显示技术，详述其特征。详述流动显示中的纹影法、阴影法和干涉法。

1、测量是按照某种规律，用数据来描述观察到的现象，即对事物作出量化描述。测量是对非量化实物的量化过程。

2、例举三种流动显示技术：（1）静态法中的涂膜法：这是一种比较常用的方法。这种方法就是在模型或原型表面涂以具有某种特性的涂料，然后置于流动中，根据涂层在试验中出现的图谱，可以分别定性地确定出层流和湍流区、转捩点位置、流动分离区、表面压力和表面温度分布等流动性状。不同的涂料配方，涂膜法显示原理是不同的，选择涂料要视所显示的流动性状而定。例如，利用某些涂料在不同条件下的蒸发、升华或溶解度的不同，就可在显示的图谱中区分出层流区和湍流区。一般观察水流中边界层的转换，可用安息香酸添加对苯二酚、双醋酸醋、红丹粉与铬酸铅粉末等。在气流中，显示边界层的层流一湍流所用的涂料有轻油，液体石蜡与碳粉或与二氧化氢混合成的涂料、以及混有挥发液的陶土等。显示温度分布的方法是利用对温度敏感的涂料，如液晶，由于已知其颜色是局部温度的函数，因此，根据表面图谱中的颜色分布，就得到物体表面的温度分布。如果涂了涂料的物体表面在流动中可以变形，但又不影响流动，则流动对物面的不均匀压力分布，使涂层产生一个确定的表面起伏，据此可分析出压力分布的结果。这种方法最适宜显示马赫波在壁面的反射，所用涂料是碳黑。

（2）动态法中的光学方法：在高速气流中，由于可压缩性，无法应用示踪粒子法。由于光学技术的发展，光学测试方法就在实验流体力学中得到十分广泛的应用。虽然有各种光学方法，但其原理复杂，设备繁多。光学方法的基本原理可归结为两种:一种是光线通过流场，光的折射率随流体密度而变，其折射偏转量与流场密度分布有关；第二种是受到流场扰动的光线相对于未受扰动的光线，产生相移，这种相移量与流场密度变化有关。根据这两种关系，可设计出各种装置，对流场进行各种观测。按照第一种原理设计的方法有阴影法和纹影法，按照后一种原理设计的有干涉法。还有综合两种原理而设计的纹影干涉法。这些方法都是以几何光学为基础的，要求装置有高度的机械稳定性，以保证方法的灵敏度。此外，还有以波动光学为基础的相差纹影法，基本原理是利用衍射产生相差，这种方法的灵敏度最高。（3）线簇法：这种方法就是在模型表面有规律地布之以一簇一簇的丝线，吹风时，线簇指示的方向显然代表物体表面附近气流的方向。图2则是用这种方法得到的汽车表面的流动。线簇法使用方便，应用广泛，但仅适用于低速流动。以上所述的几种表面流动显示法只能适用于定常流动，显示边界面附近流动的某些性状。但是，它们的适用范围十分宽广，比如，油膜流动法对水流的测定范围为10厘米/秒至15米/秒，对气流为10米/秒至M=6，油点法甚至可用于M=12。6的流动。

3、（1）纹影法：原理与阴影法相同，但其灵敏度比阴影法高一个数量级。它是空气动力学和热力学试验研究中用的最多的流动显示方法，有彩色纹影法、干涉纹影法，从定性流动显示过渡到定量流动显示。纹影仪由光源、透镜（或反射镜）、刀口和观察屏幕（或图像记录装置）四部分组成。当折射角一定的情况下，透镜焦距越大、刀口光轴的距离越小，对比度就越大，所以，为了提高纹影仪的灵敏度，应选用长焦距镜头，调整时应尽量调小刀口光轴的距离至目视最小亮度为止。双透镜纹影仪的原理光路图如下图所示。

（2）阴影法：阴影法简单来说是将一束光束通过被测流场的测试段，根据光线受扰动后的线位移量，来分析气流的密度或温度分布。气体折射率分布不均匀的测试段扰动区，光线将发生偏移，在屏上呈现出亮暗不均的图像，它反映了扰动区的线位移。阴影仪由光源、透镜（或反射镜）、显示屏（或记录图像装置）三部分组成。阴影法对于气流二阶导数的变化量敏感。

如下二图所示。气体折射的不均匀性发生在y 方向上，光线穿过厚度为L 的测试段，在出口处偏转了α角，α是y 的函数，在观察屏?ysc 区域内光强与出口处?y 区域内的光强不同，设原始光强为IT ，则屏幕上的光强为0T sc

y I I y ?=? ，Zsc 是测试段至屏幕之间的距离，则：sc sc y y Z α?=?+?，光强对比度Rc 在x 、y 方向可简化为：2222()C SC L

n n R Z dz x y ??=-+???，阴影法是利用光线通过流场扰动区产生线位移得到的图像的对比度来显示折射场。

（3）干涉法：干涉法简单来说是根据光线穿越流场后的相位的变化来研究气体折射率的空间分布。利用光的波动性，根据光线穿越流场后相位的变化来研究气体折射率的空间分布，利用干涉图中干涉条纹的变化推算出气流密度的变化。单色平行光经过分光镜BS 1分成两束单色平行光，其中一束经过平面反射镜M 2直射到观察屏幕上，而另一束则经过测试段而改变相位，再依次经过反射镜M 1以及分光镜BS 2投射到观察屏幕上，此两束不同相位的单色光在屏幕上会合，便形成了干涉条纹，这些干涉条纹的图像与测试段的流体折射率有关，而流体折射率和它的密度成正比，因而干涉条纹的图像直接反映了流场密度的变化，干涉法采用激光光源后，由于激光的单色性好，使干涉法定量测量比较方便，设备也简单。

二、简述热线测速的测速原理。作出恒温热线和恒流热线的线路图，详述二者的工作原理及其差异。

1、热线测速是利用热线（热膜）的热损失来测量流体流速，具体做法是将通有电流的金属丝放在待测流场中，金属丝由于电流的热效应而发热，继而与周围介质之间发生热交换。当介质流速变化时，金属丝的温度随之变化，并引起测量电路参数的改变，从而使电信号体现出流速变化，热线测速的优点是：检测元件小，惯性小，频响快，灵敏度高。热线测速根据king 公式来计算：()???

? ??+-=U d l A l T T H f f e w μρλπλπ。 2、恒温式HWFA 原理图如下所示。恒温式是一种自动平衡电桥测量法，由于保持热线工作温度不变，流速与电压之间是单值函数关系，所以其测量精度比恒流式高很多。由于热线工作温度始终自动控制在恒定值上，只要操作得当，就不易造成仪器损坏。恒温式则具有热滞后效应很小、频响宽的优点，它可以用于测量快速变化的流场。故目前恒温式热线风速仪远比恒流式用得普遍。

3、恒流式HWFA 原理图。恒流式是一种不平衡电桥测量法，电路结构更简单，电流固定不变时，随着流体流速的增大，热线上的热损耗加大，工作温度下降，造成测量灵敏度迅速降低，所以它在测量较高流速时反映就不够灵敏，尤其当流速突然下降时，由于热线上的工作电流不变，温度很高，很容易烧毁探针。因此，它不能用于流速变化比较快的场合，只适用于速度波动相对于平均速度是很小的场合。

三、简述多普勒频移测速原理。多普勒频移测速中速度的方向如何判断，简述参考光LDV 的工作原理。

1、多普勒频移测速技术是一种利用流体中散射粒子或固体表面堆入射激光进行散射，并通过光电探测器测得此散射光的多普勒频移的技术，由于该散射光的多普勒频移与散射粒子的速度呈简单的线性关系，据此换算得到流体或固体表面的运动速度。光源S 照射光的频率为f S 、粒子P 的运动速度U ，则根据相对论变换公式，经多普勒效应后粒子接收到的光波频率为：s (1)s p e f f U c

=-，这就是运动微粒所接收到的光波频率，也即散射光的光源频率。当静止的光电检测器从某一方向上观察运动粒子的散射光时，由于它们之间的相对运动，接收到的散射光频率fd 与fP 之间又存在频移p (1)p d e f f U

c =-，它与光源频率之间的差值就是多普勒频移：1

()p s D d s f f f U e e λ=-=?-

可见，如果已知光源、粒子和光电检测器之间的相对位置，就可以确定U 在eP-eS 方向上的投影大小，但仅据此还不能确定平面速度向量。许多情况下，速度方向往往是已知的，如有如图激光光源、粒子速度方向和光电检测器布置，可多普勒频移表达式可简化为：2sin d y f u κ

λ=

2、参考光LDV ：参考光技术是由于散播粒子浓度增加，直到照射光和散射光的衰减变为限制因素以前，原则上信噪比是增加的。它的工作原理描述为：将一束参考光直接照射到光电检验器，同散射光束进行光学外差，这束参考光必须与照亮运动粒子的激光来自同一光源 。由激光器发出的光束被分光镜（半透半反射境）分开，其中绝大部分用于照亮被测流体中的待测区，随流体运动的粒子产生的散射光由光电倍增管接收。从分束器出来的较弱的那束光是没有频移的参考光，它被反射镜直接反射到检测器。为方便起见，参考光路中设置了中性密度滤光片，以保证检测器上参考光与散射光的强度不会相差太大。光电倍增管的输出包含了两束光的差频信号，这就是产生了多普勒频移。

四、简述PIV 测速原理，详述进行PIV 速度测量中的两帧法和四帧法，PIV 测速中的误差有哪些？如何克服？

1、凡是在流体中投放粒子，并利用粒子的图像来测量流体速度的方法，通称为粒子图像测速技术（PIV ）。它的原理是：在流场中布撒示踪粒子，使用脉冲激光片光源照亮所测流场区域，通过连续两次或多次曝光，粒子的图像被记录在底片或CCD 相机，采用光学杨氏条纹法、自相关法或互相关法，处理PIV 底片或CCD 记录的图像，计算出流场中各点的流速矢量，并计算出其他运动参量（包括流场速度矢量图、速度分量图、流线图等）。

2、两帧法，假设在两帧连续图像上的示踪粒子满足四条基本特征：粒子运动不能超过最大限制速度；粒子运动速度变化小；在同一个小区域的粒子表现出相同的运动；相容匹配，一帧图像中的两个粒子不能对应与同一个粒子。它是基于示踪粒子在流场局域运动基本相同的事实。两帧法的操作步骤如下：

第一步：按照特征最大速度特征，在L 0i 为中心的领域范围内(半径为R max )，找到在第i

帧图像中的粒子L 0i 在第j 帧图像中的所有可能粒子(Lni,n=0,1,2,3,5),共5个。设L0i 与它们匹配的概率均为P 0， L 0i 与它们不匹配的概率为P 0*， P 0与P 0*的初始概率设为均匀分布：5,1

1*00=+==N N P P

第二步：在L 0i 的邻域范围内(半径为R nei )，找到L 0i 在第i 帧图像中的所有邻域粒子Lmi(m=1,2,3,4,5),并根据特征流场局域特征，设定邻域粒子Lmi(m=1,2,3,4,5)与L0i 的位移矢量差应满足：e ok ml R d d <-

第三步：在第二步的基础上，将匹配概率按下式归一化：11n n n I I I P A P B Q --=?+?，最终得到1n n I I

n n I I I P P P P *-=+∑，*1*1n n I I n n I I I

P P P P -*-=+∑ 第四步：按上式构成迭代公式，经4、5次迭代，可能运动矢量的分叉概率被迅速增强，而不可能运动矢量的分叉概率被迅速衰减。选取L 0i 各个可能运动矢量中概率最大的运动矢量即判断为L 0i 的运动矢量。

3、四帧法：四帧法是利用示踪粒子的运动学特征，用运动学规律去挑选可能的粒子运动轨迹，剔除不可能的粒子运动假设。

四帧法的原理图参看下图，首先根据流动情况预估最大流速（预设最大速度半径R1），对于第i 帧中一个粒子Pi ，在半径R1的范围内的所有第i+1帧中的粒子，记为Pi+1，都可能与Pi 匹配，然后根据Pi 和每一个在第i+1帧中可能与它匹配的粒子Pi+1可预估出Pi 在第i+2帧及第i-1帧的位置，设置以预估位置为中心的一个误差范围R2(2~3个像素)，如果在第i+2帧及第i-1帧中都存在满足误差范围的粒子数目为1，则与Pi 所对应的Pi+1被标记为一个可能的匹配，如果在第i+2帧或第i-1帧中都没有满足误差范围的粒子存在，则与Pi 所对应的Pi+1的匹配被标记为无效。用上述方法，将所有在第i+1帧中有可能与Pi 匹配的粒子进行匹配，如果仅有一个匹配成功，则该匹配记为有效匹配，如果没有一个匹配成功或者有多个匹配成功，则该匹配被记为不确定的匹配，然后根据有效匹配中Pi 与Pi+1的位置，则可以确定出粒子Pi 的运动速度。

4、PIV测速中的误差因素有以下几点：首先粒子图像与实际流场的误差：示踪粒子的跟随性误差、水的折射可能会使水中的粒子图像产生某种变形、片光源的厚度；图像分辨率对粒子位移测量精度的影响；摄像机光轴与片光平面不垂直引起的误差。

要想克服这些误差，需要选用的示踪粒子很好地跟随流体流动，通过几何率定的方法避免折射可能产生的误差，选取适中厚度的片光源；在图像分辨率不变的情况下，增大图像的放大率，可以使每个像素所能代表的实际长度下降，在图像放大率一定的时，增大图像内

的像素点，可以使测量更精确；使摄像机光轴与片光平面垂直。