CN109870288B - 一种基于激光诱发粒子技术的空气流动显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光诱发粒子技术的空气流动显示方法，将激光诱发粒子技术与流动显示技术有机结合，其中利用激光诱发粒子技术可在不引入额外粒子发生装置的情况下，从实验模型表面激发粒子以实现流场信息的可视化。直接在实验模型上利用激光粒子诱发技术所诱发的粒子在流场中的分布较均匀，避免了人工添加粒子分布不均所造成的局部流动信息缺失，便于进行边界层流动等特定流动的显示。

Description

一种基于激光诱发粒子技术的空气流动显示方法

技术领域

本发明涉及流动显示技术领域，特别是设计一种可在低速风洞内应用的基于激光诱发粒子技术的空气流动显示方法。

背景技术

流动显示方法是在力求不改变流场品质以及流体力学性质的前提下，用图像显示流动现象的方法。风洞中常用这类方法来显示流动分离、尾流、旋涡、边界层和激波等流动现象。流动显示方法可用于风洞流场测量和各类空气动力实验，为流场的分析和计算提供可靠的流动图像，利于一些新流动现象的发现，是实验流体力学中的重要研究手段。常用的流动显示方法有添加剂法、光学法、能量法和计算机图示法。

添加剂法在流体中人工地加入某些物质，通过对加入物质的踪迹的观察得到流体运动的图像。这类方法有荧光油流法、荧光微丝法、液晶法、升华法、显温漆法、色(烟)流法、氢气泡法、蒸汽屏法、氦气泡法等。

光学显示法常用在气流有密度变化的高速流场中，具有不干扰流场的优点。气体的光折射率是密度的函数，通过流场的光线因流场密度的变化会产生位置差、方向差和光程差，从而发生偏转，反映流场的特性。光学显示法包括阴影法、纹影法、干涉法等。阴影法记录的是光束的位移，阴影图表征流场密度梯度的变化。纹影法记录光束的偏转角，纹影图表征流场密度的梯度。红外热像仪和层析技术也属于这一类方法。

能量法是对流体某单元施加能量，使能量增大的流体元像示踪粒子那样运动，再利用光学等手段显示流动图像，例如用于低压气体流场的辉光放电法和电子束法。

计算机图示法是利用多孔探头、热线、热膜计或光学仪器测得流体运动的物理量，经过计算机转换和运算，可在绘图仪上绘出或在荧光屏上显示参数分布或流动图像，实现了流场显示方法的图像判读和数据处理的自动化。

在实际问题，尤其是在风洞实验中，这几种方法的应用有很多困难和不足之处。添加剂法比较直观简易，但难以获得某一确定流动截面或位置的流动信息，且添加剂种类的不同以及添加装置的选择都会对流场品质有不同程度的影响，带来效果上的差异。光学显示法对流场的温度场和速度场均无干扰作用，且可以记录某一瞬时特定位置的流动图形，从而可以确定在某一瞬时、一定空间范围内的各种参数的空间分布。但光学显示法对仪器设备的要求较高，成本昂贵，且不能保证成像效果。能量法依托于光学测量法，原理和操作更为复杂，对实验装置的要求也更高。

目前国内外针对空气流动显示方法的研究有很多，以粒子图像测速技术(PIV、PVD、层析PIV等)、激光诱发荧光技术(PLIF)为代表，但这些方法主要局限在对光学显示法的改进上，缺少原理性的突破尤其是粒子置入方式上的创新，装置价格昂贵并且多用于超音速风洞研究中。在前沿研究中尚未发现将激光诱发粒子技术与流动显示相结合，从实验模型激发粒子以显示流动状态的相关研究。在SooPAT专利搜索引擎上进行搜索“激光诱发粒子流动显示”，未见相关的公开专利。

发明内容

要解决的技术问题

本发明旨在解决上述流动显示方法中存在的一些问题，从可操作性、准确性、经济性等方面综合考虑，设计出一种可用于低速风洞实验且应用较为方便实用的流动测量方法。

技术方案

一种基于激光诱发粒子技术的空气流动显示方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将一侧均匀喷涂涂层的平板模型与风洞上下壁面的孔之间进行螺栓连接，使平板涂敷涂层的一侧正对风洞外侧壁；

步骤2：在风洞外放置激光器，确认激光扫掠区域范围，调节激光器的横向位置和垂直高度，保证激光发射口与平板前缘展向中心对齐；

步骤3：设置激光器参数：激光频率为50Hz，扫掠速度为20mm/s，扫掠宽度设置为150mm，激光波长1064nm，脉冲宽度10ns，能量密度为25mJ/mm²，光斑直径300μm，光斑搭接率为55％；

步骤4：在风洞下游布置高速相机，调整好拍摄角度，并将同步器安装于激光器和高速相机之间，设置图像抓取时间间隔；

步骤5：开启风洞，调节风洞频率和风速；风洞频率调至5Hz，对应风速为2m/s；

步骤6：开启激光器对平板进行扫掠，同时开启摄像设备与激光器之间安装的同步器，进行流场图像的观测和抓取。

所述的平板模型为金属。

所述的涂层为有机漆料，包括红色环氧树脂清漆。

所述的步骤2中在距风洞外侧壁0.3m处放置激光器。

有益效果

与现有流动显示技术相比，本发明的有益效果是将激光粒子诱发技术与流动显示技术相结合，综合了添加剂法与光学显示法的优点。相比添加剂法，优势在于不需要额外引入添加剂的生成装置，降低了对流场品质的影响，且方便抓取某一瞬时、某一确定的流动平面的流动图像；相比光学显示法，可以直接观测流动现象，且在一定程度上降低了光学装置的复杂性，同时避免了环境污染。此外，直接在实验模型上利用激光粒子诱发技术所诱发的粒子在流场中的分布较均匀，避免了人工添加粒子分布不均所造成的局部流动信息缺失，便于进行边界层流动等特定流动的显示。

附图说明

图1是本发明方法的装置示意图

图2是激光扫掠原理示意图

图3是流向截面示意图

图中1-来流，2、5-激光片光，3-涂层粒子，4-风洞实验段有机玻璃外侧壁，6-平板模型，7-涂层，8-流动结构。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

激光粒子诱发技术是一种“绿色”的诱发方法，不需使用任何化学药剂，诱发的粒子呈固体粉末，体积小，易于存放，可回收，且噪声较小，可以避免噪声污染和化学制剂带来的环境污染。并且激光可以通过光纤传输，方便地实现远距离操作，使诱发更彻底。除此以外，激光诱发技术不受诱发对象的材料和类型限制，还可以在不损伤材料表面的情况下有选择性地诱发表面涂层粒子，效率较高。其原理是调节激光束的能量密度，使能量密度高于破坏涂层所需的最高能量阈值且低于实验模型(基底材料)遭到破坏的最低能量阈值，从而使涂层破坏且呈微粒状脱落，同时保持实验模型表面完好。在激光诱发粒子的过程中没有化学反应的发生也不存在物理机械作用，实验模型表面不发生热积累。

本发明利用激光粒子诱发技术诱发实验模型表面的涂层粒子，使粒子自由脱落并显示测量流场中的流动状态，实现流动可视化。本发明所采用的技术方案是，事先调整好激光器的能量密度，根据激光器的能量密度选择合适的涂层材料，使激光器的能量密度高于破坏涂层所需的最高能量密度(使涂层粒子完全被激发)，并且低于破坏实验模型材料的最低能量阈值(使实验模型保持完好)。在实验模型一侧均匀喷涂一层涂层，并将实验模型放置于风洞实验段内，使其涂敷涂层的一侧正对激光器的激光源。同时在距风洞外侧壁0.3米处放置激光器，调节激光器的位置使激光源中心与实验模型主视图展向中心线相对，并且实验模型的横向长度范围应包含在激光器的横向扫掠范围内。开启激光器，使激光透过风洞有机玻璃外侧壁，沿流向或展向对实验模型进行匀速扫掠。扫掠过程中保持风洞开启状态，在激光作用下，实验模型表面的金属涂层呈粒子状与实验模型分离，并在流场的流动作用下运动，从而实现流动信息显示化。实验过程中可以调整激光器的位置或激光扫掠的角度，利用摄像设备获得某一瞬时、不同流动截面或站位的流动图像。

实验风洞应选择中小型低速风洞。对于实验模型的材料和尺寸以及涂层的种类可根据具体实验条件、实验要求等进行适当的选择，选择的基本原则是使实验模型表面遭到破坏的最小能量阈值尽可能地大于涂层遭到破坏的最大能量阈值，以便更彻底地诱发涂层粒子，同时尽可能保证实验模型表面完好。例如，模型(基底)材料如果为金属，涂层材料就可以选择有机漆料。激光器可选用市面上常见的脉冲激光器，如Nd：YAG激光器等。激光能量密度应根据实验模型的材料和涂层的种类进行调节，激光波长一般选择1064nm，脉冲宽度、激光斑点直径、扫描频率和速度等其他参数可根据具体实验效果进行调节。

图1给出了本发明方法的装置图。风洞启动后，开启激光器，进行对风洞实验段内实验模型表面涂层粒子的诱发，同时利用同步器抓取图像，再将图像输入计算机进行处理分析。

图2给出了激光扫掠原理示意图。激光束隔着风洞的有机玻璃壁板打在实验平板上，进行顺风向的扫掠。激光的扫掠过程中实验平板表面的涂层粒子被激发，均匀散布在风洞实验段中并随着空气的流动而运动，从而实现了流场信息的可视化。

图3给出了流向流动截面示意图。对流向流动截面进行图像抓取，可以得到该截面的流动图像，通过对图像的观察和分析有望观察到流向流动结构，尤其是一些特定的涡结构。

本例中实验平板的材料使用6061铝合金，长400×宽150×厚10(单位：mm)，在风洞中采用螺栓连接。涂层选择环氧树脂清漆，均匀喷涂于平板正对风洞实验段外侧壁的一侧，涂敷厚度约200μm。实验风洞为西北工业大学翼型叶栅重点实验室的小型边界层低速风洞，实验风速约2m/s。激光器选用移动式光纤脉冲激光器，功率30W，配有数字化操纵平台和可升降悬挂装置，可实现距地面1.5m高度范围内的高度调节。

激光诱发粒子技术的具体应用过程包括实验模型的预先喷涂过程以及激光扫掠过程两部分，其中模型的预先喷涂过程中需要根据模型材质、激光特性、实验条件等选取合适的涂覆材料，而激光扫掠过程则需调试激光源距实验模型的距离以及激光束的能量密度，使能量密度高于破坏涂层所需的能量阈值且低于实验模型(基底材料)遭到破坏的最低能量阈值。

实验具体步骤如下：

1.将平板模型的一侧均匀喷涂红色环氧树脂清漆，并将平板立起，在上下侧面(长400mm×宽10mm)打三个间隔80mm的孔(直径D＝3mm)，对应在风洞实验段上下有机玻璃壁面各打三个同一孔径的孔。使平板涂敷涂层的一侧正对风洞外侧壁，平板与风洞上下壁面的孔之间进行螺栓连接。

2.在距风洞外侧壁0.3m处放置激光器并确认激光扫掠区域范围，调节激光器的横向位置和垂直高度，保证激光发射口与平板前缘展向中心对齐。

3.设置激光器参数。激光频率为50Hz，扫掠速度为20mm/s，扫掠宽度设置为150mm。激光波长1064nm，脉冲宽度10ns，能量密度为25mJ/mm²，光斑直径300μm，光斑搭接率为55％。

4.在风洞下游布置高速相机，调整好拍摄角度，并将同步器安装于激光器和高速相机之间，确定抓拍图像的时间间隔为0.1s；

5.开启风洞，将风洞频率缓慢调至5Hz，对应风速约为2m/s；

6.待风洞内出风速度稳定后，开启激光器对平板进行扫掠，同时开启摄像设备与激光器之间安装的同步器，进行流场图像的观测和抓取。

本例所获得的图像可以观察到平板边界层流动的流向涡结构。对比不同时刻获取的图像，可以分析流向涡结构的变化情况。同理，改变激光扫掠方向和图像抓取方位，可以得到其他截面的流动图像。

Claims (4)

1.一种基于激光诱发粒子技术的空气流动显示方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将一侧均匀喷涂涂层的平板模型与风洞上下壁面的孔之间进行螺栓连接，使平板涂敷涂层的一侧正对风洞的一侧侧壁；

步骤2：在风洞外放置激光器，确认激光扫掠区域范围，调节激光器的横向位置和垂直高度，保证激光发射口与平板前缘展向中心对齐；

步骤3：设置激光器参数：激光频率为50Hz，扫掠速度为20mm/s，扫掠宽度设置为150mm，激光波长1064nm，脉冲宽度10ns，能量密度为25mJ/mm²，光斑直径300μm，光斑搭接率为55％；

步骤4：在风洞下游布置高速相机，调整好拍摄角度，并将同步器安装于激光器和高速相机之间，设置图像抓取时间间隔；

步骤5：开启风洞，调节风洞频率和风速；风洞频率调至5Hz，对应风速为2m/s；

步骤6：开启激光器对平板进行扫掠，同时开启摄像设备与激光器之间安装的同步器，进行流场图像的观测和抓取。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光诱发粒子技术的空气流动显示方法，其特征在于所述的平板模型为金属。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光诱发粒子技术的空气流动显示方法，其特征在于所述的涂层为有机漆料，包括红色环氧树脂清漆。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光诱发粒子技术的空气流动显示方法，其特征在于所述的步骤2中在距风洞外侧壁0.3m处放置激光器。

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