3.流动显示技术
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。
第二章经典流动显示技术
29
2019/9/12
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
2019/9/12
31
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。
2019/9/12
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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35
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)
2019/9/12
10
光线的偏转角为
'
2Z y
1 n y
c0
t
n
1 n
Z
y
(2-3)
流体力学流动演示实验
流体力学流动演示实验流体力学演示实验包括流线流谱演示实验、流动演示实验两部分。
各实验具体内容如下：第1部分流线流谱演示实验1.1 实验目的1)了解电化学法流动显示原理。
2)观察流体运动的流线和迹线，了解各种简单势流的流谱。
3)观察流体流经不同固体边界时的流动现象和流线流谱特征。
1.2 实验装置实验装置见图1.1。
图1.1 流线流谱实验装置图说明：本实验装置包括3种型号的流谱仪，Ⅰ型演示机翼绕流流线分布，Ⅱ型演示圆柱绕流流线分布，Ⅲ型演示文丘里管、孔板、突缩、突扩、闸板等流段纵剖面上的流谱。
流谱仪由水泵、工作液体、流速调节阀、对比度调节旋钮与正负电极、夹缝流道显- 1 -示面、灯光、机翼、圆柱、文丘里管流道等组成。
1.3 实验原理流线流谱显示仪采用电化学法电极染色显示技术，以平板间夹缝式流道为流动显示平面，工作液体在水泵驱动下从显示面底部流出，工作液体是由酸碱度指示剂配制的水溶液，在直流电极作用下会发生水解电离，在阴极附近液体变为碱性，从而液体呈现紫红色。
在阳极附近液体变为酸性，从而液体呈现黄色。
其他液体仍为中性的橘黄色。
带有一定颜色的流体在流动过程中形成紫红色和黄色相间的流线或迹线。
流线或迹线的形状，反映了机翼绕流、圆柱绕流流动特性，反映了文丘里管、孔板、突缩、突扩、闸板等流道内流动特性。
流体自下而上流过夹缝流道显示面后经顶端的汇流孔流回水箱中，经水泵混合，中和消色，循环使用。
实验指导与分析如下：1)Ⅰ型演示仪。
演示机翼绕流的流线分布。
由流动显示图像可见，机翼右侧即向天侧流线较密，由连续方程和能量方程可知，流线密，表明流速大、压强低；而机翼左侧即向地侧流线较稀疏，表明速低、压强较高。
这表明机翼在实际飞行中受到一个向上的合力即升力。
本仪器通过机翼腰部孔道流体流动方向可以显示出升力方向。
此外，在流道出口端还可以观察到流线汇集后，并无交叉，从而验证流线不会重和的特性。
2)Ⅱ型演示仪。
演示圆柱绕流流线分布。
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）
能源与动力工程测试技术_江苏大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年
能源与动力工程测试技术_江苏大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.在水洞内开展绕流物体周围的空化现象可视化实验，关键要实现高的：参考答案:流速2.风洞中实验段上游的稳定段，其内部结构一般是：参考答案:格栅3.水洞实验段内的湍流度可以用何仪器测量：参考答案:激光多普勒测速仪4.风洞内可进行实验的是：参考答案:汽车模型_翼型_风力机模型_建筑物模型5.在水洞内可进行实验的对象是：参考答案:绕流圆柱_螺旋桨叶片_S形水力转轮叶片6.在水洞内进行空化实验时，在下一轮循环中消除空化泡的方法有：参考答案:储液罐内设格栅_喷淋装置_中间设中转罐进行排气7.1英寸为多少厘米参考答案:2.548.皮托管是：参考答案:一根弯成90度的管子_可以测量流速_可以测量总压_可以测量静压9.下列属于PIV技术的是：参考答案:Tomo PIV_Micro PIV_TR PIV10.以下属于无接触式流速测量仪器的是：参考答案:粒子图像速度场仪_激光多普勒测速仪11.以下可以作为流体力学实验平台的设备是：参考答案:风洞_水洞_拖曳水槽12.热线风速仪的基本原理中，最为关键的是：参考答案:对流换热13.流动实验中的PLIF是：参考答案:平面激光诱导荧光法14.关于示踪粒子的选用，下列说法正确的是：参考答案:示踪粒子扮演了流体质点的角色15.在清水中测量流动速度时，示踪粒子可以选用：参考答案:空心玻璃球16.关于速度测量，下列说法不正确的是：参考答案:PIV测量的实施需要两个或两个以上的相机17.关于速度测量，下列说法正确的是：参考答案:PIV和LDV都需要示踪粒子18.下列属于国际单位制中规定的7个物理量的单位的是参考答案:米_秒_安培19.与叶片泵振动有关的因素是：参考答案:转速_叶片数_出水室结构_转子部件的支撑方式20.按噪声源的不同，噪声可分为：参考答案:机械噪声_电磁噪声_空气动力噪声21.利用热电偶测温，只要热电偶连接显示仪表的两个接点温度相同，那么仪表的接入对热电势没有影响。
现代流体测试技术
现代流体测试技术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：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，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。
动态法中的光学方法：在高速气流中，于可压缩性，无法应用示踪粒子法。
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。
流体流动显示
(10)
3. 阴影法、纹影法及传统干涉法； 4. 激光多普勒测速法、 激光双焦点
测速法; 5. 双频显微干涉技术、实时相移干
涉技术； 本课程不介绍直接注入显示技术。
(11)
第一章 流动显示技术基础
§1.1 引言
在工程热物理学科领域，非常 关心气流温度场、浓度场的检 测和研究。
它能最方便、最快捷地获得对复杂 流场的定性了解。
(8)
2. 光学折射率显示法
利用光在通过流体时的折射率 变化，来检测流体的密度、浓 度、温度等流体的有关参数。
光学折射率显示法通常有：阴 影法、纹影法、干涉法等。
(9)
本课程主要内容
主要内容有：
1. 流动显示技术基础，即光测基础； 2. 现代光学干涉计量技术，即激光
对于气体，折射率n接近于1，洛 伦茨-洛伦兹关系式可以简化为格 拉德斯通-戴尔(Gladstone-Dale) 公式，简称G-D公式：
(29)
即： n 1 K
(1-3)
式中，K为格拉德斯通-戴尔常数，简称 G-D常数。K值随气体种类的不同而不同， 且随波长略有变化。
G-D公式对气体符合得很好。
(53)
MaKaP R
1 T
1 T0
(1-23)
式中，前一项反映浓度变化， 后一项反映温度变化。
该设法方立程两有个两方未程知才数能T和求解b，。要
(54)
利用格拉德斯通-戴尔常数对波长的 微弱色散，可列出如下两个方程, 解出两个未知量。
n1
b
Mb
(2)应用阴影法：测量光线在投影面上 的偏移，确定折射率的二阶导数。
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
16
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
11
四、测速原理
双曝光的图象
12
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
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《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。
流动显示技术的应用范围——大气
流动显示技术的应用范围——大气
流动显示技术的应用范围——海洋
流动显示技术的应用范围——海洋
流动显示技术的应用范围——海洋
流动显示技术的应用范围——海洋
流动显示技术的应用范围——风洞
流动显示技术的应用范围——风洞
流动显示技术的应用范围——风洞
流动显示技术的应用范围——风洞
流动显示技术的应用范围——风洞
流动显示技术的应用范围——分子/细胞
•化学反应示踪法：电解沉淀、电解着色、光化学等
•丝线法：表面丝线、网格丝线等
•直接示踪法：迹线、等时线、表面漂浮等
•电控制法：氢气泡、电火花示踪、烟线等
•表面示踪法：油膜、热敏漆、压敏纸等
•光学法：阴影、纹影、荧光、干涉法等
丝线法：网格丝线
三角翼后的网格丝线
3.2.1 传统流动显示方法的分类 丝线法：网格丝线
焦点
鞍点
叶片中部
分离线
压气机叶栅表面丝线对应计算结果（流线）
•化学反应示踪法：电解沉淀、电解着色、光化学等•丝线法：表面丝线、网格丝线等
•直接示踪法：迹线、等时线、表面漂浮等
•电控制法：氢气泡、电火花示踪、烟线等
•表面示踪法：油膜、热敏漆、压敏纸等
•光学法：阴影、纹影、荧光、干涉法等
直接示踪法：染色线
圆管湍流流动显示（雷诺，1883）
直接示踪法：染色线
圆柱卡门涡街
直接示踪法：表面漂浮法
翼型突然起动（左）和停止（右）
直接示踪法：表面漂浮法
翼型突然起动和停止
•化学反应示踪法：电解沉淀、电解着色、光化学等•丝线法：表面丝线、网格丝线等
•直接示踪法：迹线、等时线、表面漂浮等
•电控制法：氢气泡、电火花示踪、烟线等
•表面示踪法：油膜、热敏漆、压敏纸等
•光学法：阴影、纹影、荧光、干涉法等
发动机短舱的设计
电控法：烟线
贴近地面的发动机短舱烟流动显示（左：静止，右：移动）
3.2.1 传统流动显示方法的分类 电控法：烟线
三角翼上脱体涡破碎的烟线显示三角翼脱体涡的烟线显示
电控法：电火花
风机不同流量下叶轮通道内电火花流动显示
•化学反应示踪法：电解沉淀、电解着色、光化学等•丝线法：表面丝线、网格丝线等
•直接示踪法：迹线、等时线、表面漂浮等
•电控制法：氢气泡、电火花示踪、烟线等
•表面示踪法：油膜、热敏漆、压敏纸等
•光学法：阴影、纹影、荧光、干涉法等
表面示踪法：油膜
涡轮叶栅端壁流动
•化学反应示踪法：电解沉淀、电解着色、光化学等•丝线法：表面丝线、网格丝线等
•直接示踪法：迹线、等时线、表面漂浮等
•电控制法：氢气泡、电火花示踪、烟线等
•表面示踪法：油膜、热敏漆、压敏纸等
•光学法：阴影、纹影、荧光、干涉法等
光学法：阴影法
用阴影法看超音速流动
•第一类：添加外来物法
如丝线、烟线、漂浮物法等，通常用于较低速流动情况。
•第二类：光学法
如纹影、阴影法等，通常用于流体密度发生明显变化的情况，如有激波的情况。
•第三类：能量法
如电火花、荧光示踪和很多利用化学方法进行的流动显示技术，这类方法实际上是上述两类方
法的结合。
3.3.1 传统流动显示方法适用范围
第二代流动显示方法以含有计算机辅助技术为标志，以常规的流动显示技术及设备为基础，运用计算机进行图像的存储，利用图像处理技术，得到彩色显示的流动图像，
给出丰富的流场信息和高质量的图像。
多种流动显示技术的综合使用
流动显示与测量相结合，发展瞬时、定量、三维流动显示/测量技术 流动显示技术与计算机结合 流动显示与CFD技术相结合
3.3.2 第二代流动显示方法
激光片光-烟雾示踪结合
导弹头部脱体涡在不同截面内的形态
激光片光-烟雾示踪结合翼型前缘分离泡
显示区域
激光片光-烟雾示踪结合
翼型前缘分离泡的烟流动显示
压力/温度敏感漆:Pressure Sensitive Paint (PSP )
Temperature Sensitive Paint (TSP)
（白:温敏，黄:压敏，紫:参考）
实验装置温度分布压力分布
液晶-表面热流测量
涡轮叶栅实验模型湍流斑显示结果。