CN107478627B - 基于荧光纤维丝示踪的壁湍流时空演化过程检测方法 - Google Patents

基于荧光纤维丝示踪的壁湍流时空演化过程检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于荧光纤维丝示踪的壁湍流时空演化过程检测方法，包括：(1)制备测试样品；所述测试样品的表面分布有N个微细通孔；(2)将示踪标记物荧光纤维丝由测试样品的背面向正面贯穿入微细通孔内，并使荧光纤维丝在正面不露头；(3)在测试样品的正面施加流场，并采用光源系统持续照射待检测流场区域，同时通过流场图像采集系统以高精度时序记录荧光纤维丝的瞬时形态；(4)对荧光纤维丝的瞬时形态进行图像处理与计算拟合，重构并可视化近壁面流场的三维动态结构和其时空演化过程信息。本发明既有PIV技术瞬时、同步、多点测量的特点，又具有同时测量运动学与动力学特性、信噪比高、装置简易、成本低、可靠性高的突出优点。

Description

基于荧光纤维丝示踪的壁湍流时空演化过程检测方法
技术领域
本发明属于激光应用领域，具体涉及一种基于荧光纤维丝示踪的壁湍流时空演化过程检测方法。
背景技术
层流和湍流是自然界和工程技术中两种典型的流动状态。由于湍流的摩擦阻力远高于层流(在相同雷诺数情况下，层流的表面摩擦阻力比湍流要小一个数量级)，湍流减阻一直是飞机、船舶或者潜艇设计与制造中的关键技术因素，以期获得这些运载工具的表面流动状态尽可能多的为层流流动。然而，自从1883年雷诺在著名的圆管流动显示实验中发现层流和湍流两种不同流动形态以来，湍流基本的机理和规律至今还不是完全清楚，号称是经典物理留下的世纪难题。
热线测速(hot-wire anemometry，HWA)、激光多普勒测速(laser Dopplervelocimetry，LDV)和粒子图像测速技术(particle image velocimetry，PIV)是目前流场检测的三种主要技术方法，尤其是PIV已发展成为实验流体力学领域速度场测量的主流方法，出现了2D TR-PIV，2D-3C TR-SPIV和3D3C TR-TPIV等多种检测系统。PIV技术的主要优点是它可以瞬时、同步、多点测量，迄今为止只有PIV技术才能瞬时、同步给出流动快速演化的全场信息。如今PIV技术已很大程度上取代了HWA和LDV这两种过去主流的逐点测速技术，但是HWA和LDV技术也有其特有的优点，PIV技术迄今仍不能完全复制。比如HWA信噪比高，是测量低湍流度湍流流动及其能谱的理想方法，而LDV非常适合测量高湍流度湍流流动的单点长时间统计平均量。
一个PIV系统原理上至少包括如下五个功能子系统：
(1)光源系统，作用是根据实验需要，照亮某一体空间流场中的示踪粒子，一般2DTR-PIV，2D-3C TR-SPIV要求平面二维的片光源，而3D3C TR-TPIV要求为体光源，光源系统主要由双腔脉冲激光器、导光臂、体光源透镜组等构成，其价格较为昂贵。
(2)图像采集系统，由多个CCD/CMOS高速相机组成，并与高精度时序同步控制系统同步工作，其作用是捕捉时间序列的示踪粒子图像并记录存储。
(3)同步控制系统，其作用是根据计算机的设置使激光脉冲发射与高速相机拍摄配合，保持一致，以保证相机曝光拍摄时，激光脉冲刚好同步照亮流场中的示踪粒子。
(4)数据分析及可视化系统，用以根据获取的精确时序流场图像，拟合计算得到流场随时空演化的速度矢量场，并实现三维流场的重构与可视化表达。
(5)示踪粒子，通常气体PIV实验中的示踪粒子可以用特初级橄榄油通过发烟机制备，而在液体实验中的示踪粒子常使用聚苯乙烯、二氧化硅等材料制成。示踪粒子在各类PIV实验中作用重大，使用质量高和特性好的示踪粒子可帮助获得更为准确的实验结果。通常PIV实验中使用的示踪粒子必须满足几个基本要求：I)示踪粒子必须具有很好的跟随性以保证拍摄到的粒子运动图像充分反映流场的运动，否则将产生两相流，造成较大的实验错误。粒子的跟随性主要与其自身的密度，直径，材料，流体密度和粘度等相关。示踪粒子直径通常小于50μm，液体中的示踪粒子可比空气中的直径稍大。示踪粒子密度与流体介质必须接近以尽量避免粒子自身的沉降、切向和径向运动。II)粒子必须用无毒、无腐蚀性、性质稳定的材料制备以防止污染实验环境，危害实验人员健康。III)示踪粒子需要有较好的光散射特性。在一定拍摄条件下，这一特性将决定粒子图像的信噪比。粒子较好的光散射特性有助于获得噪声信号更低的图像，提高实验精度。一般实验时，通常直径越大的粒子光散射性越好，但是流场跟随性越弱，因此在选择粒子时，需要综合考虑这两个对立因素，择优选择。
发明内容
本发明提供了一种基于荧光纤维丝示踪的壁湍流时空演化过程检测方法，既有PIV技术瞬时、同步、多点测量的特点，又具有同时测量运动学与动力学特性、信噪比高、装置简易、成本低、可靠性高的突出优点。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种基于荧光纤维丝示踪的壁湍流时空演化过程检测方法，包括如下步骤：
(1)制备测试样品；所述测试样品为厚度为1～15mm的平面、规则曲面或复杂曲面壳体件，材质是金属、非金属或高分子聚合物，要求其在流场测试过程中不因流体冲击力发生塑性变形；所述测试样品的表面分布有N个微细通孔，N为大于0的正整数；所述微细通孔2的侧壁面和表面光滑无毛刺，孔径小于100μm；
(2)在测试样品的待检测流场区域内，将示踪标记物荧光纤维丝由测试样品的背面向正面贯穿入微细通孔内，并使荧光纤维丝在正面不露头；所述正面是指测试样品上被流场图像采集系统的高速相机拍摄的表面；所述荧光纤维丝是指采用化学方法进行荧光修饰处理后的丝径小于20μm的桑蚕丝、蜘蛛丝或人造纤维丝；
(3)在测试样品的正面施加流场，并采用光源系统持续照射待检测流场区域，以激发荧光纤维丝的荧光效应；同时通过流场图像采集系统以高精度时序记录荧光纤维丝的瞬时形态；当施加流场后，近壁区边界层的湍流流动将使微细通孔在正面表面附近形成负压，从而形成微细通孔从底面到正面的液体流动，并使得荧光纤维丝穿过微细通孔进入测试样品壳体件正面的近壁区边界层内，近壁区边界层的湍流剪切力将裹挟荧光纤维丝一起运动，荧光纤维丝连续不断的由微细通孔曳出并跟随湍流运动；
所述流场图像采集系统包括至少两个沿流向和展向布置的CCD/CMOS高速相机，并与高精度时序同步控制系统同步工作，用于从不同方向同步捕捉时间序列的示踪标记物图像并记录存储；
(4)通过数据分析及可视化系统对步骤(3)中由高速相机以高精度时序记录的荧光纤维丝的瞬时形态进行图像处理与计算拟合，重构并可视化近壁面流场的三维动态结构和其时空演化过程信息；
所述近壁面流场的三维动态结构和其时空演化过程信息包括如下：
1)荧光纤维丝跟随湍流的运动历史，亦即荧光纤维丝的空间姿态随时间的动态变化过程；通过考察荧光纤维丝上特征段或特征点的运动历史，计算得到其跟随的湍流速度矢量的时空演化历史，通过考察整根荧光纤维丝及多根荧光纤维丝，拟合得到荧光纤维丝所在区域的湍流速度矢量的时空演化历史；
2)根据荧光纤维丝的自身力学性能，结合1)中获得的荧光纤维丝跟随湍流的运动历史，估算出荧光纤维丝所在区域的湍流能量时空演化历史；
3)根据荧光纤维丝从通孔不断曳出后的空间姿态随时间的动态变化过程，获得其跟随的某股湍流的时空演化过程。
优选的，所述测试样品的表面具有不同类型、尺寸或布局的图形化沟槽微结构。
优选的，所述光源系统为带有聚光筒的紫外荧光灯。
优选的，所述光源系统为由激光器、导光臂和体光源透镜组构成的体光源。
优选的，步骤(2)中所述的荧光纤维丝在进行荧光修饰处理时先进行分段，再对每段进行不同颜色的染色和荧光处理。
优选的，在高速相机前配置有滤光片和显微镜头。
优选的，所述流场图像采集系统还包括沿法向布置的第三个高速相机。
本发明具有如下有益效果：
1、与热线测速(HWA)、激光多普勒测速(LDV)等传统单点测量技术相比，本发明的特点在于，第一为全场测量，即同时记录一定空间区域流场的荧光纤维丝图像，并从中提取多空间点的速度信息；第二为非接触式的光学测量，不存在传感器对流场产生的干扰；第三为测量数据的计算可重复性，有关流动速度场的信息都会保存下来，如采集频率、图像放大率等，这一功能便于采用不同的方式对图像进行后期处理和计算，甚至是完全不同于预想的方案重新分析数据也无需重复实验。
2、与粒子图像测速(PIV)技术相比，本发明的特点在于，第一是无需脉冲激光器作为光源系统，也无需同步控制系统对光源进行时序同步控制，从而使得整个系统的结构和控制逻辑简化，系统成本降低；第二是采用了荧光纤维丝作为示踪标记物，相比PIV的示踪粒子来说，物理连续的荧光纤维丝可以提供对某处流场、某股湍流运动的双重跟随表征，获得的信息更加全面和丰富，可以拟合得到荧光纤维丝所在区域的湍流速度矢量的时空演化历史，还可估算出荧光纤维丝所在区域的湍流能量时空演化历史，从而便于发现壁湍流的精细拟序结构；第三是不同于PIV技术基于示踪粒子的散射光检测原理，本发明采用的荧光效应与高速相机滤光片，使得信噪比更高，还可以对荧光纤维丝进行分段染色和荧光处理(不同颜色)，以实现更好的信噪比，纤维丝曳出长度的动态标定，以及更好的直观可视效果。
3、本发明的方法适应性好，对各种液体、各种平面、规则曲面或复杂曲面壳体件，表面还可以具有不同类型、尺寸、布局等的图形化沟槽微结构，均可检测其在不同流速下壁湍流流场的时空演化过程。
4、荧光纤维丝的回收方便，复用性极好，检测成本低。
附图说明
图1为本发明所述壁湍流时空演化过程检测方法的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供了一种基于荧光纤维丝示踪的壁湍流时空演化过程检测方法，包括如下步骤：
(1)制备测试样品1；所述测试样品1为一定厚度(1～15mm)的平面、规则曲面或复杂曲面壳体件，材质可以是金属、非金属或高分子聚合物，要求具有较好的刚性和强度，在流场测试过程中不因流体冲击力发生塑性变形；所述测试样品1的表面分布有N个微细通孔2(N为大于0的正整数)，所述微细通孔2的侧壁面和表面光滑无毛刺，孔径小于100μm，一般可用高能束(激光束、电子束、离子束)精密钻孔或机械精密钻孔技术制备。
优选的，所述测试样品1的表面还可以具有不同类型、尺寸、布局等的图形化沟槽微结构3，以检测带有表面沟槽的壁湍流时空演化过程。
(2)在测试样品1的待检测流场区域内，将示踪标记物荧光纤维丝4由测试样品1的背面向正面贯穿入微细通孔2内，并使荧光纤维丝4在正面不露头。所述正面是指测试样品1上被流场图像采集系统的高速相机6拍摄的表面。本发明不要求待检测流场区域内的全部微细通孔2均贯穿荧光纤维丝4，只需对感兴趣的一个或多个微细通孔2贯穿荧光纤维丝4即可。
所述荧光纤维丝4是采用化学方法进行荧光修饰处理后的桑蚕丝(丝径8～18μm)或蜘蛛丝(丝径0.3～1.5μm)或其他人造纤维丝，要求其丝径小于20μm，具有优良的机械性能(如高强度、弹性、柔韧性和抗断裂性能等)和耐紫外线等特性，且与被测试流场的液体之间具有良好的润湿性，荧光剂不会在流场液体浸泡下从纤维丝脱离分散到液体中。
所述荧光，又作“萤光”，是指一种光致发光的冷发光现象。当某种常温物质经某种波长的入射光(通常是紫外线或X射线)照射，吸收光能后进入激发态，并且立即退激发并发出比入射光的波长长的出射光(通常波长在可见光波段)，具有这种性质的出射光就被称之为荧光；荧光物质一旦停止入射光，发光现象也随之立即消失。
优选的，还可以对穿入微细通孔2的若干根荧光纤维丝4进行分段不同颜色的染色和荧光处理，以实现纤维丝曳出长度的动态标定、更好的信噪比和直观可视效果。
(3)在测试样品1的正面施加流场，并采用光源系统5持续照射待检测流场区域，以激发示踪荧光纤维丝的荧光效应；同时通过流场图像采集系统以高精度时序记录荧光纤维丝的瞬时形态；当施加流场后，近壁区边界层的湍流流动将使微细通孔在正面表面附近形成负压，从而形成微细通孔从底面到正面的液体流动并使得荧光纤维丝穿过微细通孔进入测试样品壳体件正面的近壁区边界层内，近壁区边界层的湍流剪切力将裹挟荧光纤维丝一起运动，荧光纤维丝连续不断的由微细通孔曳出并跟随湍流运动。
所述流场图像采集系统包括至少两个沿流向和展向布置的CCD/CMOS高速相机6，并与高精度时序同步控制系统7同步工作，用于从不同方向同步捕捉时间序列的示踪标记物图像并记录存储。若设置三个高速相机6，则第三个高速相机6可沿法向布置。多个高速相机6在测试前先经过空间方位坐标标定以获得图像坐标与测量体物理空间坐标的对应关系，实现从不同方向记录同一区域的示踪标记物，供后序图像处理和三维重建；优选的，在高速相机6前可配置滤光片、显微镜头等以提高信噪比。
所述光源系统5可以采用带有聚光筒的紫外荧光灯(比如紫外光手电或荧光手电)；也可以采用单色性好的激光器与导光臂、体光源透镜组等构成体光源用于激发荧光效应(如果用脉冲激光器则需要与同步控制系统协同控制，与PIV相同)。所述紫外荧光灯即是发射激发荧光的入射光源。
(4)通过数据分析及可视化系统对步骤(3)中由高速相机以高精度时序记录的荧光纤维丝的瞬时形态进行图像处理与计算拟合，重构并可视化近壁面流场的三维动态结构和其时空演化过程信息。
具体的说，所述近壁面流场的三维动态结构和其时空演化过程信息包括如下：
1)荧光纤维丝跟随湍流的运动历史，亦即荧光纤维丝的空间姿态随时间的动态变化过程；通过考察荧光纤维丝上某特征段或特征点的运动历史(位移、速度、加速度)，可计算得到其跟随的湍流速度矢量的时空演化历史，通过考察整根荧光纤维丝及多根荧光纤维丝，可拟合得到荧光纤维丝所在区域的湍流速度矢量的时空演化历史；
2)根据荧光纤维丝的自身力学性能(弹性模量、剪切模量、弯曲等)，结合1)中获得的荧光纤维丝跟随湍流的运动历史，可估算出荧光纤维丝所在区域的湍流能量时空演化历史；
3)由于荧光纤维丝的连续性和对湍流运动的跟随性，根据荧光纤维丝从通孔不断曳出后的空间姿态随时间的动态变化过程，可同时获得其跟随的某股湍流的时空演化过程。
本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。

Claims (7)

1.一种基于荧光纤维丝示踪的壁湍流时空演化过程检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备测试样品；所述测试样品为厚度为1～15mm的平面、规则曲面或复杂曲面壳体件，材质是金属、非金属或高分子聚合物，要求其在流场测试过程中不因流体冲击力发生塑性变形；所述测试样品的表面分布有N个微细通孔，N为大于0的正整数；所述微细通孔2的侧壁面和表面光滑无毛刺，孔径小于100μm；
(2)在测试样品的待检测流场区域内，将示踪标记物荧光纤维丝由测试样品的背面向正面贯穿入微细通孔内，并使荧光纤维丝在正面不露头；所述正面是指测试样品上被流场图像采集系统的CCD/CMOS高速相机拍摄的表面；所述荧光纤维丝是指采用化学方法进行荧光修饰处理后的丝径小于20μm的桑蚕丝、蜘蛛丝或人造纤维丝；
(3)在测试样品的正面施加流场，并采用光源系统持续照射待检测流场区域，以激发荧光纤维丝的荧光效应；同时通过流场图像采集系统以高精度时序记录荧光纤维丝的瞬时形态；当施加流场后，近壁区边界层的湍流流动将使微细通孔在正面表面附近形成负压，从而形成微细通孔从背面到正面的液体流动，并使得荧光纤维丝穿过微细通孔进入测试样品壳体件正面的近壁区边界层内，近壁区边界层的湍流剪切力将裹挟荧光纤维丝一起运动，荧光纤维丝连续不断的由微细通孔曳出并跟随湍流运动；
所述流场图像采集系统包括至少两个沿流向和展向布置的CCD/CMOS高速相机，并与高精度时序同步控制系统同步工作，用于从不同方向同步捕捉时间序列的示踪标记物图像并记录存储；
(4)通过数据分析及可视化系统对步骤(3)中由CCD/CMOS高速相机以高精度时序记录的荧光纤维丝的瞬时形态进行图像处理与计算拟合，重构并可视化近壁面流场的三维动态结构和其时空演化过程信息；
所述近壁面流场的三维动态结构和其时空演化过程信息包括如下：
1)荧光纤维丝跟随湍流的运动历史，亦即荧光纤维丝的空间姿态随时间的动态变化过程；通过考察荧光纤维丝上特征段或特征点的运动历史，计算得到其跟随的湍流速度矢量的时空演化历史，通过考察整根荧光纤维丝及多根荧光纤维丝，拟合得到荧光纤维丝所在区域的湍流速度矢量的时空演化历史；
2)根据荧光纤维丝的自身力学性能，结合1)中获得的荧光纤维丝跟随湍流的运动历史，估算出荧光纤维丝所在区域的湍流能量时空演化历史；
3)根据荧光纤维丝从通孔不断曳出后的空间姿态随时间的动态变化过程，获得其跟随的某股湍流的时空演化过程。
2.根据权利要求1所述的基于荧光纤维丝示踪的壁湍流时空演化过程检测方法，其特征在于，所述测试样品的表面具有不同类型、尺寸或布局的图形化沟槽微结构。
3.根据权利要求1所述的基于荧光纤维丝示踪的壁湍流时空演化过程检测方法，其特征在于，所述光源系统为带有聚光筒的紫外荧光灯。
4.根据权利要求1所述的基于荧光纤维丝示踪的壁湍流时空演化过程检测方法，其特征在于，所述光源系统为由激光器、导光臂和体光源透镜组构成的体光源。
5.根据权利要求1所述的基于荧光纤维丝示踪的壁湍流时空演化过程检测方法，其特征在于，步骤(2)中所述的荧光纤维丝在进行荧光修饰处理时先进行分段，再对每段进行不同颜色的染色和荧光处理。
6.根据权利要求1所述的基于荧光纤维丝示踪的壁湍流时空演化过程检测方法，其特征在于，在CCD/CMOS高速相机前配置有滤光片和显微镜头。
7.根据权利要求1所述的基于荧光纤维丝示踪的壁湍流时空演化过程检测方法，其特征在于，所述流场图像采集系统还包括沿法向布置的第三个CCD/CMOS高速相机。
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