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文檔簡介

1、層析粒子圖像測速技術研究進展摘要:層析粒子圖像測速技術(Tomographic Particle Image Velocimetry, Tomo-PIV)作為一種瞬時的三維流 場速度測量技術,能夠為具有強非定常性及強三維空間性的復雜流動提供詳細的數(shù)據(jù)支撐$對近年來該技術在國 內外的發(fā)展及應用進行了全面的綜述$首先介紹了層析粒子圖像測速技術的工作原理和技術特點,進而探討了當 前層析粒子圖像測速的研究現(xiàn)狀,重點從相機布局、示蹤粒子密度、標定映射函數(shù)及三維重構算法對重構精度的影 響等方面進行了闡述,而后通過國內外關于層析粒子圖像測速技術的典型應用,展示了該技術在非定常三維流動 及工程應用中的優(yōu)勢$最

2、后,對層析粒子圖像測速技術的應用前景及發(fā)展趨勢進行了展望$關鍵詞:Tomo-PIV;三維流動;標定函數(shù)&三維重構非非定常流場Research advances of tomographic particle image velocimetryAbstract:Tomographic Particle Image Velocimetry (TomoPIV) is an instantaneous threedimensional velocity measurement technology which can provide detailed data support for complex

3、flows with strong unsteady characteristics. A general review of the development and applcation of the technology at home and abroad is presented. The principle and characteristics of tomographic partice image veocimetry are introduced,and the current research situation is discussed,including especia

4、lly the camera layout,particle density,calibration mapping function and 3D reconstruct i on algor i thm. Then the typ i cal app l i cat i on of Tomograph i c Part i cle Image Veloc metry 0s 0ntroduced,showng 0ts advantages 0n the unsteady three-d mensonal flow measurement and eng ineering applicatio

5、ns. Finally, the applcation prospect and development trend of tomographc partcle 0mage veloc metry are dscussed.Keywords:TomoPIV; three dimensiona l flow& calibration function; three dimensional recor structons& unsteady flowJ引言流場速度測量不僅直接關系到諸如飛機、汽車、 高鐵等流線型流體動力機械的外形設計和優(yōu)化,還制 約著流體力學的發(fā)展$對于流場速度的測量,國內外 很早

6、就開始了研究,出現(xiàn)了多種技術方法:如激光多 普勒測速(Laser Doppler Velocimetry,LDV) % 熱線 風速儀等單點測量技術;平面激光誘導熒光技術 (Planar Laser Induced Fluorescence) %激光散斑測速 技術(Laser Speckle Velocimetry,LSV)、粒子圖像 測速技術(Particle Image Velocimetry,PIV)等非接 觸二維面測量技術$尤其是PIV技術,不僅能定量 地對流場進行時間分辨率上的流場演化測量,還能定 性地顯示流場結構,對理解流動機理及促進型號研制 起到了巨大的推動作用$但無論是目前倍受關

7、注的湍流、渦流等流體力學 基本問題,還是飛行器、艦船、導彈等工程型號研 制1,都面臨著復雜三維非定常流動問題$尤其以隱 身、高機動性為特征的新一代飛行器面臨的復雜三維 流場(!%),以微型飛行器和機器魚為背景的生物和仿 生流體力學(頃,以跨、超聲速混合、燃燒為背景的非 定常激波膨脹波引起的可壓縮剪切復雜流動810,以微機電系統(tǒng)為背景的微尺度復雜流動等11-12,無不具 有強非定常性、強三維空間性等復雜流動現(xiàn)象,而這 些問題是二維測量技術無法解決的,因此發(fā)展新的三 維測量技術勢在必行目前關于攻克 3D3C & Three-dimensional three component )測量技術途徑的主

8、流仍然是粒子圖像測 速技術的延伸和發(fā)展,主要包括散焦piv!13-1(、掃描 PIV!#%、全息 PIV(Holographic PIV,HPIV)!墮及層 析 PIV(Tomographic PIV, Tomo-PIV)!17-18等 其 中散焦PIV實質上是一種粒子跟蹤測速技術,空間 分辨率較低(掃描PIV是基于標準的二分量PIV,在 相繼的深度位置上進行掃描,再將空間上有微小偏移 的平面速度場結合起來分析,這種方法具有較高的空 間分辨率,但是掃描時間與被觀測流場的特征尺度相 比小得多,因此并不適用于高速流場(HPIV是一種 將數(shù)字全息技術和PIV技術相結合產生的三維流場 速度測量技術,通

9、過CCD記錄空間場的全息干涉條 紋,再利用相應的反演公式進行空間流場信息的再 現(xiàn),其光學條件十分苛刻,距離實際應用還需開展更 多的研究(Tomo-PIV技術結合了醫(yī)學CT技術和 PIV技術,能夠實現(xiàn)空間流場的全場定量測量,對于 復雜流場結構的研究能夠提供很大的便利,引起了眾 多研究者的關注本文在全面調研的基礎上對Tomo-PIV技術進 行了綜述,介紹了相應的工作原理和技術特點,重點 討論了對重構精度有較大影響的技術因素,總結了國 內外關于該技術的典型應用,展示了 Tomo-PIV在 非定常三維復雜流場測試方面的優(yōu)勢1技術簡介1.1基本原理Tomo-PIV是將PIV技術和醫(yī)學上的CT重構 技術結

10、合而產生的一種三維粒子圖像測速技術,能夠 實現(xiàn)空間流場的全場定量測量,其具體原理如圖1所 示在測量區(qū)域內釋放一定濃度的示蹤粒子,利用高 能量的脈沖激光經(jīng)體光源照射測量區(qū)域內的示蹤粒 子,同時使用多個(一般為36個)相機記錄粒子運 動圖像,然后根據(jù)照片中像素灰度的分布,利用倍增 代數(shù)重構算法(Multiplicative Algebraic Reconstruction Technique, MART)對三維空間粒子分布進行迭代 重構,對重構的2個相鄰粒子圖像進行三維互相關計 算,得到粒子的位移信息,再根據(jù)曝光時間計算出速 度場圖1 Tomo-PIV工作原理 Fig. 1 Principles

11、of Tomo-PIV1.2技術特點圖1 Tomo-PIV工作原理 Fig. 1 Principles of Tomo-PIVElsrnga等!17-18在加利福尼亞舉辦的第六屆國際 PIV專題研討會上第一次提出Tomo-PIV技術,闡 述了其工作原理和相應算法,其中最為關鍵的為三維 空間標定及三維粒子重構Tomo-PIV是對三維體空間進行重構,因此試驗 前需要準確知道相機圖像坐標和空間物理坐標(重構 體)之間的對應關系,以便通過拍攝的二維圖像重構 出粒子的三維空間分布,這一過程通過標定來完成 標定函數(shù)的精度直接決定粒子空間位置的重構誤差, 進而影響速度場的計算標定時標定板沿測量體厚 度方向遍

12、歷整個測量體,每個相機記錄不同景深位置 Z處的標定靶圖像,通過針孔照相機模型!1&或者多 項式模型!2獲取標定映射函數(shù)在Tomo-PIV流場測試中,相機接收的不是流 場本身的信息,而是示蹤粒子的散射光強將測量區(qū) 域進行空間網(wǎng)格離散,得到離散的三維體素;在激光 的照射下,假設體素內示蹤粒子散射光強度為E&X, Y,Z),投射到相機平面形成像素灰度I(x,y),兩者 的關系可表示為:I( B,) =(X ,Y ,Z)(1)其中,(X,Y,Z)為體素三維空間坐標,(B)為圖像 像素坐標,N,是對平面像素(xt,yt)灰度有影響的 體素數(shù)量4代表相機的第4個像素4=是加權系數(shù), 表示第j個體素對第4個

13、像素的強度貢獻率Elsinga等!17-18在提出Tomo-PIV技術時使用 MART算法得到三維空間的粒子分布,該方法通過 給定所有體素統(tǒng)一的初始光強E (X ,Y,Z),迭代 出粒子三維分布:Ex (Xj,Yj,Zj )I(4 Ex (Xj,Yj,Zj )I(4 Bz)%4Ex(Xj,Yj,Zj)=+其中是迭代次數(shù)5是松弛系數(shù),且心專4Ek(.X, ,Y, ,Z,),是第X次迭代的光強投影2 Tomo-PIV技術研究現(xiàn)狀針對Tomo-PIV技術本身的研究主要集中在如 何提高其重構精度在所有影響粒子重構精度的因 素中,最主要的是相機布局、示蹤粒子密度、標定映射 函數(shù)及三維重構算法等,眾多學者

14、對其開展了研究 2.1相機布局和平面PIV不同,Tomo-PIV采用多相機拍攝, 相機的不同布局、相機之間及相機與測量體之間的角 度均會影響拍攝的圖像質量 Elsrnga等通過數(shù) 值模擬研究了相機角度對重構精度的影響,認為相鄰 相機之間的最優(yōu)角度在30左右。相機之間角度變 小,示蹤粒子在深度方向被拉長,使得示蹤粒子在深 度方向的分辨率和其他2個方向差別較大,粒子的灰 度峰值位置難以精確確定,對后續(xù)數(shù)據(jù)處理造成不利 影響相目機角度變大,沿著相機視線在測量體內的光 程變大,在重構時會形成大量的虛假粒子常用的相機布置方式有“十字”交叉式和線性布 置2種,如圖2所示 Scaran。等研究了不同相機 孔

15、徑角(最遠2個相機之間的夾角)對2種布局方 式重構質量的影響,發(fā)現(xiàn)“十字”交叉式布局的重構精 度比線性布局要高,且最遠2個相機之間的夾角最好 在40120之間(見圖3)圖2相機布局方式!21 Fig. 2 The camera layout!212.2示蹤粒子濃度圖4為Michaelis等22(測試的示蹤粒子在不同 濃度下的拍攝圖像,可見示蹤粒子的密度對測量精度 影響較大為了從平面圖像中重構出高精度的粒子 三維空間信息,需要保證二維粒子圖像相互不重疊! 這通常通過降低示蹤粒子濃度或減小測量體空間厚 度的方法實現(xiàn);但是為了提高測量的空間分辨率,示 蹤粒子濃度不能太低目前為了平衡示蹤粒子濃度 變大

16、造成的重構質量降低和示蹤粒子濃度變小造成 的空間分辨率降低兩者之間的矛盾,通常推薦的示蹤 粒子濃度為 0.05 ppp(particles per pixel, ppp)17( %Linear, dLinear, d=l(CMOS) Cross, J*=1(CMOS)Linear, d *=2.5(CCD)Cross, d*=2.5(CCD)Fig. 3圖3Fig. 3圖3相機系統(tǒng)孔徑角對重構質量的影響!21Reconstruction quality factor versus system aperture angle !21圖U不同示蹤粒子濃度的實驗圖像()為示蹤粒子濃度)!22Fig.

17、 UImages of experiments at different particle concentrations(the left is the concentration of particles, ppp)!222.3標定映射函數(shù)Tomo-PIV采用分段式標定,分別記錄若干景深 位置Z處的圖像,使用三階多項式擬合物理空間坐 標和圖像像素坐標之間的映射關系,其具體形式為:F(x) =a0 Ua#X +a2Y + a3X2 +a(XY +a5Y2 +aX3 +a , X2Y + aXY2 +a&Y3F(y) =b0 +b#X +L2Y + L3X2 +L(XY +L5Y2 +b,B)為

18、二維像素坐標,(X,Y)為三維空間物 理坐標,系數(shù)(a,b)是不同標定位置Z的函數(shù)%只 要有足夠多的標定點,通過最小二乘求解即可得到不 同標定位置Z上的標定系數(shù)未標定的Z方向位置 通過對Z方向上相鄰位置上映射的系數(shù)線性插值得 到%因此,標定得到的映射函數(shù)在X&Y方向上具有 三階精度,在Z方向上具有一階精度Tomo-PIV的標定映射函數(shù)誤差在0.5個像素 以下時才能保證三維重構的精度然而,由于不 精確的標定板、不精確的標定板移動、機械的不穩(wěn)定 性、光學畸變以及其他可能的相關因素,標定誤差很 難控制#當標定誤差很大時,不同相機中的同一粒子 在沿相機視角計算時其空間位置往往無法重合,需要 進行映射函

19、數(shù)的體自標定如圖5所示,首先通過相機的粒子像素坐標(, )擬合一個與之對應的最佳物理空間坐標(x,y, (),然后將其投影到圖像平面坐標個像點 之間的偏差為| (V,V) (b)|,計算所有粒子的 偏差分布(-,-)=| (V,V)(4 $y),得 到粒子偏差的概率密度分布圖及偏差矢量圖;利用偏 差矢量對映射函數(shù)進行修正,得到修正后的映射函數(shù) Al,t(X,Y,Z)iMt(X,Y,Z)dt(X,Y,Z)# 相對 于未修正前的映射函數(shù),其標定誤差可從0.5個像素 降至0.02個像素,該量級的標定誤差對于三維重 構來說在一定程度上已經(jīng)可以忽略#圖5標定殘差示意圖Fig. 5 Schematic d

20、iagram of calibration residuals可以看出,體)標定是通過真實粒子來修正映射 函數(shù),因此需要精確匹配粒子的三維位置,這通常通 過三角測量法來完成#如圖6所示,對于相機1中的 每一個粒子,通過標定函數(shù)計算其三維空間位置,則 其對應在相機2中的粒子位置在寬為2弓、長為 的長方形條帶內(其中,弓為給定的誤差半徑,比預 計的最大標定誤差大,Lq為相機1視角方向在測量 體內的長度在相機2視角方向上的投影長度);結合 相機1和相機2的圖像確定粒子的三維位置,然后通 過相機3及相機4驗證相機2條帶中的每一個粒子, 完成粒子的匹配#從上述方法可以看出,用于體自標 定的示蹤粒子濃度要

21、較為稀疏,否則不僅計算時間 長,還很難真正確定真實粒子的位置,因此通常要在 試驗之前記錄一組稀疏粒子圖像#此外,Schanz等!25利用光學傳遞函數(shù)(Optical Transfer Functions, OTF)來補償非一致性拍攝條 件(如前向散射和后向散射、窗口導致的光學畸變等) 形成的圖像誤差,提高了三維重構的精度#圖6 粒子匹配示意圖Fig. 6 Schematic diagram of particle matching!242.4重構技術三維粒子重構是Tmo-PIV的核心,針對粒子重 構的算法優(yōu)化,眾多研究者開展了深入研究。本文對 近年來典型的三維重構算法進行了匯總,詳見表1#表1

22、典型三維重構算法Table 1 Typical three-dimensional reconstruction algorithmReconstruction methodsReferencesMultiplicative first guess MARTWorth and Nickels(2008) !26Multiplied line of sight MARTAtkinson, et al.(2008)!27Adaptvemultpled lneAtkinson, et al. (2010)!28of sght MARTMotion tracking enhanced MARTNova

23、ra, et al. (2010)!29MG( multi resolution) algorithmDiscetti and Astarita(2012) !30Spatia fitering MARTDisceti, et al.(2013b)!31Intensity enhanced MARTWang, et al.(2016)!32Simutaneous MARTAtkinson and Soria(2009) !33Block iterative MARTThomas, et al. (2014) !34PVR-SMARTChampagnat, et al. (2014) !35Mu

24、ltgrd MARTDiscetii, et al.!36重構算法的關鍵是盡可能地提高重構精度,同時 減小重構的時間成本#根據(jù)主要目的不同,重構算法 可分為提高重構精度、減少重構時間以及兩方面同時 作用等3類#1)提高重構精度#此類方法主要從減少體素的 離散誤差、減少幾何視角誤差以及虛假粒子抑制等3 個方面進行# Tomo-PIV采用多相機系統(tǒng)進行空間 流場拍攝,相機與測量體之間具有一定的角度,導致 測量體厚度方向的空間分辨率較低,因此在重構過程 中需要根據(jù)實際空間分辨率大小來設置體素的形狀 和大小,減小網(wǎng)格離散誤差,提高計算效率和精度# 幾何視角誤差主要體現(xiàn)在相機布局方面,在2.1節(jié)中 已詳

25、細闡述#如圖7所示,采用MART算法進行重 構時會出現(xiàn)較多的虛假粒子,即在本不該出現(xiàn)粒子的視線交點處出現(xiàn)類似粒子的灰度分布對于+ 相機的Tomo-PIV系統(tǒng),可用真實粒子和虛假粒子 的比值來表征信噪比38:1+ gPPP+T &(4)其中,Np為真實粒子的數(shù)量,Na為虛假粒子的數(shù) 量,PPP為單位像素的粒子數(shù)量,*p(4)*p可認為是不變的,則影響的因素主要是示蹤 粒子濃度和測量體厚度的大小#研究表明,在PPP 小于0.05的情況下重構具有較好的效果,隨著粒子 濃度的提高,虛假粒子所引起的誤差變得越來越顯 著,甚至導致測量速度不可信,這也是Tomo-PIV測 量空間通常為扁平長方體的原因。2)

26、減少重構時間。MART算法采用相同的初 始光強值進行迭代,不僅影響重構的精度,還需要較 長的計算時間和存儲空間,目前研究的主要方向是尋 找更加合適的迭代初值,從而加快迭代的收斂速度#3)兼顧三維重構的精度和時間。目前針對此類 問題;未見有文獻開展專門的研究,有部分算法實現(xiàn) 了兩方面的同時提高,但是偏重點不同#2.5速度場后處理Tomo-PIV技術的不斷完善成熟,讓人們對三維 復雜流動的試驗研究寄予更大的期許,但是和二維 PIV相比,其圖像質量及測量空間分辨率均有所不 (,因此數(shù)據(jù)后處理技術是Tomo-PIV不可或缺的 一部分,其主要包括速度場及其導出量的處理#常見的速度場后處理有壞點剔除、中值

27、濾波和高 斯平滑等#壞點剔除是通過給定速度分布區(qū)間,刪除 流場中明顯偏離平均速度的矢量,對全流場或局部流 場進行處理,剔除后的流場可以通過33空間插值來 進行修補#中值濾波是基于排序統(tǒng)計理論的一種能 有效抑制背景噪聲的非線性濾波技術,和高斯平滑類 似,它對流場有較強的平滑作用#此外,由于Tomo-PIV采用體互相關算法計算 獲得速度場,判讀體大小即為其空間分辨率,因此算 法對速度場有平滑機制,會在一定程度上低估速度梯 度#對于不可壓縮速度場,如果不能精確獲得速度梯 度,會造成散度不為0,而速度梯度的偏差將直接影 響旋渦的識別和旋渦強度計算!3& #高琪等!40提出 了一種基于不可壓縮連續(xù)性方程

28、制約機制的流場修 正方法,通過求解全流場修正速度場二范數(shù)的極小值 來獲得最優(yōu)的修正量,使修正后流場完全滿足差分形 式的連續(xù)性方程,對流場中的高斯分布噪聲有一定的 消除作用,能夠改善測量速度場品質#速度場導出變量主要為渦量的計算和識別。常 見的渦識別方法主要有Q準則法!41(速度梯度張量 第二不變量)、方法42(速度梯度張量的特征方程 的根的判別式)、方法43(速度梯度張量的共鮑復 特征值的虛部)2方法甲(壓力的海森矩陣的第二 特征值)。在這4種方法中方法嚴格滿足流線的 基本形狀或流體微團軌跡呈螺旋狀這一基本性質,直 接以描述螺旋運動強度的參數(shù)作為渦識別變量,在數(shù) 學基礎和物理意義上更為明確,比

29、其他3種方法應用 更為廣泛#復雜流場往往包含不同尺度、不同形態(tài)的流動結 構,且流動結構間存在非線性的耦合干擾#從復雜流 場中辨識出主要流動結構是認識流動特征規(guī)律的前 提#對于時間解析的層析PIV來說,本征正交分解 (Proper Orthogonal Decomposition , POD)、動力學 模態(tài)分解(Dynamic Mode Decomposition , DMD)等 方法能夠實現(xiàn)三維速度場的模態(tài)分解,為研究復雜流 場的動力學特征、獲取低維動力學經(jīng)驗模型提供模態(tài) 分解工具;此外外,變分模態(tài)分解(Variational Mode Decomposition , VMD)作為一種自適應模

30、態(tài)變分處 理方法,能夠對瞬時速度場進行有效的模態(tài)分析,處 理流場的非穩(wěn)態(tài)行為,十分適合用來開展復雜流場的 分析。2.6三維PIV的創(chuàng)新發(fā)展Tomo-PIV是當前最為成熟、應用最為廣泛的三 維流場測試技術之一,具有空間分辨率高及測量體積 大的優(yōu)點;但其本質屬于一種多相機測試系統(tǒng),平臺 搭建及系統(tǒng)操作難度較大#為降低系統(tǒng)的復雜度,國 內外學者開展了進一步的研究#高琪等!45發(fā)展了 一種單相機三維體視PIV技 術,在相機與被測流場之間加裝一個三棱鏡特效透 鏡,光線通過該透鏡3個棱面的折射能實現(xiàn)多相機不 同視角成像的效果,經(jīng)過三維粒子重構,進而實現(xiàn)了 三維流場的測量,并利用該技術獲取了零質量射流渦 環(huán)

31、三維流動結構的時序結果。但由于3個不同視角 的成像通過一個相機來實現(xiàn),因此存在有效測量區(qū)域 受限的問題。隨著光場三維成像技術的成熟及光場相機的研 制,使得單臺相機同時記錄光線的強度及空間位置成 為可能。施圣賢團隊3如$及Thurow研究團隊#($- 別開發(fā)了各自的光場相機硬件系統(tǒng)和光場重構算法! 構建了單光場相機PIV三維流動測試系統(tǒng)。施圣賢 團隊成功將該技術應用于射流、湍流邊界層等復 雜三維流場的試驗研究。相對于Tomo-PIV而言, 光場PIV在沿測量體厚度方向上的測量精度較低! 但其最大優(yōu)勢在于利用單相機進行測量,系統(tǒng)簡單! 易于布置,適用于光學空間受限情況下的復雜三維流 場測量。3 T

32、omo-PIV具體應用Tomo-PIV技術建立之初,主要集中應用在湍流 剪切運動(如尾流、邊界層、噴流等)方面,用于研究流 場三維渦結構演化規(guī)律。近年來,逐漸拓展至實際工 程應用,并由低速向高超聲速發(fā)展。3.1尾流流動置于流體中的任何物體均會在其下游形成尾跡。 在尾跡中,平均速度低于自由流速度,這種速度虧損 的程度直接與作用于物體上的阻力有關。不僅如此! 尾跡的存在將在很大程度上影響整個上游流場,同時 也將影響物體表面的壓力分布,從而影響物體受到的 升力。因此,分析尾跡及它們與自由流的相互作用對 完整地處理物體受到的流體作用力問題具有十分重 要的作用。Tomo-PIV的第一次應用就是測量圓柱尾

33、跡流 動#1750 0圖8為Elsrnga等測量得到的圓柱后方 卡門渦街的渦結構等值面云圖,顯示了該技術在不穩(wěn) 定分離流方面的應用潛力;Ham等利用高分辨率 相機的Tomo-PIV系統(tǒng)研究了豎直放置圓柱上表面 的三維流場,獲得了詳細的剪切層三維結構;Ghaemi 等使用時間分辨率Tomo-PIV在開口風洞中測量 了 NACA0012翼型尾緣三維流場,得到了近尾緣區(qū) 域發(fā)卡渦及發(fā)卡渦對的分布情況,提出了用于描述尾 緣區(qū)域三維不穩(wěn)定結構的理論模型;許相輝等飽在 低速風洞中對圓柱尾流場進行了試驗測量,成功獲取 了圓柱后方典型的三維卡門渦結構;高琪等利用 自主研發(fā)的層析PIV技術實現(xiàn)了合成射流的三維測

34、 量,觀測到雙渦流動結構追逐并融合的現(xiàn)象,復現(xiàn)了 三維渦環(huán)結構的時空演化過程(此外,Zhu等頃利用 6相機的Tomo-PIV系統(tǒng)對高寬比為2的短圓柱尾 流場渦結構及動態(tài)演化特性進行了研究(如圖9所 示),發(fā)現(xiàn)有限高圓柱的尾流場被弓形渦所主導,且第 一次發(fā)現(xiàn)了 M形狀的弓形渦,并提出了有限高圓柱 平均尾流場的概念拓撲模型。圖8瞬時渦結構等值面(d為圓柱直徑)#1R$Fig. 8Iso-surface of instantaneous vortex structure #1R$圖9三維流場瞬時截面圖(d為圓柱直徑)#55Fig. 9 Iso-surface of instantaneous fie

35、ld#VV3.2湍流邊界層在自然界和實際工程應用中,最經(jīng)常發(fā)生的流動 狀態(tài)是湍流,流動隨時間和空間都呈現(xiàn)出不規(guī)則的脈 動。實現(xiàn)湍流邊界層的連續(xù)測量不僅需要較高的時 空分辨率,;需要同時測量其三維速度分量。Els+ga等#%6$對低速風洞下壁面的邊界層開展 了 Tomo-PIV測量,在測量區(qū)域前1 m處安裝拌線 使氣流強制轉h,并采用Q準則計算顯示了瞬時三 維渦結構(見圖10)。王晉軍、高琪57-58團隊采用 Tomo-PIV對水洞中平板湍流邊界層進行了測量,通 過私準則進行渦識別,統(tǒng)計了展向渦沿法向的變化 規(guī)律,并給出了在流向-法向平面內高低速區(qū)域和橫 幅展向渦空間位置的關系。姜楠#%9-61

36、$團隊利用 Tomo-PIV在水洞中對平板湍流邊界層進行了測量, 發(fā)現(xiàn)了典型的四極子、六極子式結構,給出了以掃掠 事件為中心的壁湍流相干結構局部動力學模型,并觀 測到了沿流向分布的由發(fā)卡渦構成的低速流體;此 外,他們還利用Tomo-PIV技術對溝槽被動流動控 制方法的減阻效果進行了研究,分析了邊界層中流體 的運動特點。施圣賢團隊#!$利用單相機光場PIV技 術對一個)相似的逆壓湍流邊界層進行了測量,得到 了遠、近壁面各600組瞬態(tài)三維流場,并與相同工況 下的2APIV進行了對比,發(fā)現(xiàn)在近壁面測量結果吻 合較好,總體誤差小于0.5%,在遠壁面則有翹尾現(xiàn) )。圖10瞬時三維結構族Fig. 10 I

37、nstantaneous three-dimensional structure!56如圖11所示,Humble#測量了 Aa =2.1條件 下激波&邊界層干擾的三維瞬時結構,能在三維空間 內顯示出高低速流動區(qū)域的相互作用,并根據(jù)測量結 果給出了超聲速激波邊界層干擾拓撲結構的概念模 型;Ye等#6($在代爾夫特理工大學高超聲速風洞中測 量了來流馬赫數(shù)Ma = 6.5的過斜劈轉h流動過程,探 討了旋轉渦對的上洗及下洗運動對動量輸運的影響。3.3 工程應用隨著Tomo-PIV的深入發(fā)展,不僅在湍流等基 礎研究方面展現(xiàn)了巨大優(yōu)勢,在實際的工程應用中也 發(fā)揮了重要作用。風洞流場速度的均勻分布是飛行器精

38、細化研制 和空氣動力研究的基礎保障。李曉輝等#65$利用 Tomo-PIV技術對亞跨聲速風洞流場速度均勻性進 行了校測,來流馬赫數(shù)0.6,測量馬赫數(shù)均方根偏差小 于0.005,并通過測量超臨界翼型OAT15a的尾緣速 度場比較了小肋減阻的控制效果;Stolt等#66$利用 Tomo-PIV研究了低雷諾數(shù)下NACA0015翼型酒窩 狀粗糙前緣對流動分離及失速迎角的影響;Avallone 利用時間解析的Tomo-PIV測量了#6=$ NACA0018 翼型有&無鋸齒狀后緣的三維流場,發(fā)現(xiàn)鋸齒狀后緣 在根部產生了沿流向的渦對,且在展向呈周期性分 布,并結合聲學測量探討了鋸齒的不同尺度對翼型噪 聲的影

39、響。推進器、風力渦輪機、直升機旋翼等轉子系統(tǒng)的 尾流不穩(wěn)定性機理研究與設備性能、振動、噪聲和結 構問題直接相關,在工程應用中扮演了重要角色。意 大利海洋研究中心的Felli#68在空化水槽中利用 Tomo-PIV開展了推進器尾流近場的研究,突出顯示 了端部旋渦附近二次細絲的盤繞機制;德國達姆施塔 特工業(yè)大學Wemkauff等#6&$使用8臺相機重構得到 了時間平均的火焰成像,研究了火焰與湍動的相互作 用,增進了對燃燒過程的理解,有助于更加高效清潔 的燃燒裝置的研發(fā)Peterson等#70通過向內燃機缸 內添加油滴顆粒,成功測量了火花誘導內燃機內的三 維流場,對現(xiàn)代內燃機引擎的研發(fā)設計提供了重要

40、的 數(shù)據(jù)支撐。-0.5Low- and high-speed streamwise elongated regions高低速流動區(qū)域-0.5Low- and high-speed streamwise elongated regions高低速流動區(qū)域Complicated, interconnected vortical structures, including backflow, creating a relatively low-speed regionMeandering regions of relatively uniform high-speed fluidReflected shock wave conforming to low-and high-speed fliud inincoming boundary layer4. Relatively high-speed fluidRapidly lifted fluid, corresponding t

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