英语原文共 11 页
粒子图像测速新的布撒和表面处理方法
Adam J. Pierce、Frank K. Lu
德克萨斯大学阿灵顿分校，德克萨斯州阿灵顿
摘要
摘要：PIV系统依靠示踪粒子，激光强度和相机定位的组合来收集速度数据。在为PIV系统选择合适的设置配置时需要特别注意。本文重点介绍了利用MVG进行平板可压缩湍流边界层研究的PIV数据采集的几个改进领域。主要包括确定平板的示踪粒子颗粒表面制备和PIV系统配置。
关键词：发散角;激光束直径;焦距;颗粒直径;颗粒密度
Abstract
Abstract: PIV systems rely on a combination of seed particles, laser light intensity, and camera positioning to collected velocity data. Careful attention is needed when selecting the ap-propriate setup configuration for PIV systems. This paper focuses on several areas for improvement in PIV data collection for a compressible turbulent boundary layer study on a flat plate using MVG#39;s. The topics include determining the seed particle surface preparation for a flat plate, and PIV system configuration.
KEYWORDS：divergence angle;laser beam diameter;focal length;particle diameter; particle density
1 绪论
在普遍接受的诊断技术是粒子图像测速和相关的激光光表可视化中。目前PIV已经可以通过立体声，断层扫描和微观实现。在空气动力学中，金属表面的高反射率是研究材料表面空气流动的严重障碍。目前的解决方法是安装透明插入物以允许激光透过材料被模型吸收。但是另外一个问题是示踪粒子的布撒方面，包括粒子弛豫时间，颗粒密度定义以及通过冲击来减速高速流动的问题。
本文讨论了这些示踪粒子的问题，并提出了一种表面反射的简单表面处理方法。这一方法已经在用于测量流过微型涡流发生器流量的2.5马赫的超音速风洞中进行了测试。
1.1用于高速应用的微型涡流发生器的背景
边界层流动控制技术是在不利流动条件的区域之前分配高度小于边界层厚度的微涡流发生器（MVG）阵列。这种MVG与传统涡流发生器类似。涡流发生器通过尾随涡流夹带自由流来激励边界层。MVG与传统涡流发生器的主要区别在于前者产生的阻力较小。目前这种MVG已经在例如低速大型运输机等地方上实用，在超音速进气道和机舱噪声降低上也有作用。其中一种形式的MVG是是楔形的，如图1 所示。
图1. 楔形MVG阵列
在MVG的现有流动模型中，除了马蹄形涡流之外，还应该存在一对初级涡流和两对次级尾涡。来自表面流动可视化的Babinsky和同事以及来自大涡模拟的Lee等人发现，一对反向旋转的涡旋落在MVG的下游。实验表明在压缩区域前面有一个小的分离区，在没有颜色的区域的任一侧会产生非常小的马蹄形涡流，其中可以看到人字形图案。就像在其他三维流动中观察到的一样，这种人字形图案是开放的分离区的结果。这个开放的分离区由一对大的反向旋转的主要尾随涡旋支配。
最近，Blinde等人通过详细的立体粒子图像测速技术，提出了图2所示的模型。该图显示了从每个MVG向下游流动的发夹旋涡。流动的发夹旋涡之间存在高速区域。这些现象证实了Babinsky等人的观察结果。如Blinde等人所建议的那样，主要尾随涡流从表面抬起，导致发夹涡旋的形成。最近，使用高阶大涡模拟的Li和Liu发现了一个由MVG引起的复杂流场。首先，除了马蹄形漩涡之外，还有许多尾涡，然后被Kelvin-Helmholtz状破坏形成涡环，之后传播到下游冲击/边界层相互作用区域。涡旋环的这一发现是Blinde等人发现的进一步改进，并等待实验证实。
图2.在MVG阵列的下游流动的发夹涡旋
2 实验
2.1 设施和测试硬件
为简洁起见，仅提供了实验摘要。实验在排气风洞中以马赫数2.47plusmn;0.005进行的隧道操作由主计算机控制，该计算机打开控制阀在约2-3秒内达到稳态压力条件。总压力保持在517plusmn;6kPa（75plusmn;0.9psia）。流动可视化实验的持续时间约为30s，总温度下降仅约1-2K。因此，尽管隧道具有排污特性，但对于本系列实验，温度可被认为是稳定的。因此，单位雷诺数稳定在每米4300万。
测试部分为15.2cmsup2;times;81.28cm。它配备了广泛的光学接入。
图3.显示平板的测试部分。从右到左流动
图4.微涡流发生器阵列
在两侧和顶部，测试部分上安装一块73cm长，尖锐前缘为15°的平板，在该测试部分上自然形成边界层（图3）。平板制成分层，每侧由锐尖轨道支撑。形成测试表面的顶层由许多小的薄板制成。这些板彼此紧密对接，形成连续的平坦表面。这种模块化设计允许快速更换配置。顶部表面下方的空腔允许放置压力管，换能器布线和其他元件。接线和管道从测试部分侧面或从扩散器侧面引导到后部，到风洞外部。底表面包住腔体。
安装微涡流发生器（MVG）阵列，其前缘位于平板前缘下游272mm处。图4显示了五个MVG的阵列。每个MVG都是长12.95mm，高1.57mm。MVG的前部宽度为11.7mm。MVG之间的中心间距为30.5mm。基于的设计制造了两种类型的MVG， 后缘角度为45°或70°。
3 粒子图像测速
粒子图像测速（PIV）是一种定量方法，它使用高强度光源，数码相机和通常称为示踪剂的示踪粒子的组合，以精确测量所研究的流场速度。通常用中性浮力颗粒接种流体，该颗粒紧密地代表流体。然后，来自高功率激光器的强光与一个或多个数码相机一起使用以收集具有小的分离时间dt的两个图像。然后这些图像是交叉相关的或自相关的，并且得到的计算产生速度矢量。虽然该方法对于亚音速流动来说是相当合理的，但是当PIV用于超音速流动时，需要仔细注意。
本研究中使用的PIV系统包括New Wave Research Solo 120 双脉冲钕：YAG激光器，两个LaVision图像密集型3S相机，以及安装在计算机上的DaVis 7.1软件。可编程定时单元V8。与大多数PIV设置一样，建议使用激光片和相机，但不要求彼此垂直。激光和相机系统安装在与Lift Genie 150型相连的定制结构上。定位系统的目的是保持激光和相机对准。如果需要不同的平面来收集数据，则无需重新校准即可移动整个系统。
图5.CAD绘图PIV设置配置
LaVision配置了激光光学系统，可处理两种不同的柱面透镜。根据透镜的发散度来计算
（1）
激光束直径为4.5mm，第一个镜头为f=-10 mm投射alpha;= 24°的激光片。第二个镜头的f=-20mm投影激光片为12◦。
FlowMaster 3s Imager Intense相机捕获CCD芯片上的图像，该芯片为1376times;1040像素，像素大小为6.45mu;m。摄像机的扫描速率为16MHz，最大读出频率为10fps。对于立体声配置， 两台摄像机满足Scheimpflug标准。如果不满足标准，则完整图像将不会聚焦并且将导致校准不良。摄像机有一个特殊的适配器，可以进行校正并满足Scheimpflug标准。对于立体声配置，摄像机还必须在两个摄像机之间具有至少10◦的视角。制造商建议视角为30°-45°。对于要收集的图像，必须同步激光和相机。同步过程包括激发激光，以两个不同的时间间隔触发摄像机，将数据从摄像机传输到PIV计算机，以及重置时间序列以重新启动过程。PIV系统有一个专用的双处理器计算机，其中装有可编程定时单V8，用于处理激光器和摄像机之间的同步。虽然用户可以修改PTU设置，但制造商建议不要修改设置并将其保留在最佳默认值。
3.1 示踪粒子布撒
对于超音速条件下的流体流动，示踪粒子颗粒特性成为重要因素。其中，示踪粒子颗粒的密度和尺寸对示踪粒子颗粒性能具有主要影响。与亚音速流不同，超音速流中的示踪粒子颗粒暴露于高速和密度梯度中。这些梯度极大地影响示踪粒子粒子的动量，并且可能使由PIV软件使用的相关方程产生的速度数据产生问题。这种情况的一个例子是种子粒子穿过冲击波。当流动加速或减速时，大的速度梯度会由于颗粒的惯性而导致显着的误差。密度梯度也会产生光学畸变。这些扭曲是由于不均匀的折射率折射引起的，并且可能使相关峰值偏斜，这会对速度矢量计算产生重大影响。在这些已知条件下，需要一个合适的示踪粒子颗粒，其密切代表被测流体的密度。虽然由于颗粒和流体之间会因密度差异而总会有一些误差，但正确的示踪粒子颗粒将会减小误差。
为了使种子颗粒紧密代表周围流体的特征，有必要确定颗粒的弛豫时间。颗粒弛豫时间是颗粒响应流体条件变化所需的时间。使用一下公式计算粒子弛豫时间。
（2）
对于给定的粘度，影响颗粒弛豫时间的决定因素是颗粒的直径和密度。如公式所示，由于平方项，示踪粒子颗粒的直径具有主要的影响。较小的粒径将降低弛豫时间。
这意味着对流体状态变化的响应更快。因此，希望颗粒的直径尽可能小。必须特别考虑颗粒的密度。对于粉末颗粒和其他固体，堆积密度通常作为性质特征给出。例如，体积密度定义为颗粒的质量除以它们占据的体积，包括颗粒之间的空间。但这不是单个颗粒本身的实际密度。从分子的角度来看，颗粒的分子量是不同的。二氧化钛的分子量小于碳酸钙，导致二氧化钛在给定体积下是更合适的颗粒选择，见表1。但是，二氧化钛的体积密度大于堆积密度碳酸钙这种对比可能导致一些混淆，其更适合作为种子颗粒。这种混淆的可能原因可以在分子结构中找到。为了澄清混淆，建议基于X射线晶体学数据的密度参考，其中密度计算为材料处于晶体结构中，其中单个颗粒之间的空隙被去除。
表1中还列出了两种液体;丙酮和橄榄油。液体示踪粒子颗粒比固体颗粒具有特殊的益处。固体颗粒具有在温度和压力的高波动期间保持稳定的能力，但其更大的直径并且更致密，这增加了颗粒弛豫时间。液体颗粒具有较小的直径并且密度较小，这减少了颗粒弛豫时间，但是对周围流体的压力和温度的变化更敏感。在该研究中，选择固体种子颗粒以使自由流体流动种子，同时使用液体来种植平板的边界层。在试验部分的上游注入固体种子颗粒的注入，同时从平板的表面注入液体颗粒。
表1.所选种子颗粒的数据
目前的实验是粒径为.7mu;m的碳酸钙和丙酮。测试部分内的条件是丙酮作为蒸汽自然存在，然而用于实验的丙酮作为液体自然地吸入测试部分。尽管在实验测试期间未经验证，但从图像结果可以得出，在测试部分中，在低压、低温和高速的组合下，丙酮变成测试区域长度的湿蒸汽。如前所述，将固体种子注入测试部分的上游。为了确保整个流动的适当播种，示踪粒子输送装置必须适当地定位在风洞中。由于测试部分中的高速度，播种注入口位于风洞喷嘴上 游的增压室中。增压室中的流动是亚音速的并且保持在75psig。先前的静态测试已经得出结论，当压差至少为100psi时发生良好的布撒。因此，接种装置必须能够承受并保持175psig或更高的压力。
播种装置本身是旋风设计。供应的干燥压缩空气通过5英寸的开口进入播种机的底部。在进入下壳体时，空气被漏入与第二壳体成0.5英寸的接头中。一旦空气进入主室中，空气就分成两部分。外部部分绕过播种室并用于引发播种机出口附近的涡流。内腔中的空气发散并遇到1mu;m的过滤器。该屏障防止大多数种子颗粒落到播种机的下室。混合空气和种子颗粒向上行进通过第二个100mu;m金属丝网过滤器，并且设计用于分离可能已形成的大尺寸颗粒。在最终过滤器之后，将种子空气与外部通道结合，在那里使用涡旋混合，然后通过0.5英寸的出口。出口的这个尺寸确保进入播种机的质量流量与质量流量相同。然后将播种的空气通过管道输送到增压室，在那里将注入的空气注入自由流中。使用McMaster-Carr Model 4738K502远程控制供给播种机的干燥空气。节能的Buna-N diaphram黄铜电磁阀和操作风洞的阀门控制计算机。
图6.播种机的CAD图
3.2 表面反射
PIV测试中常见的问题是高强度激光产生的表面反射。反射的严重程度部分地受到所使用的材料，光源的强度和图像滤波的应用的影响。所选材料可对表面反射的严重程度产生主要影响。图7中给出了三个不同表面的示例。图7（a）示出了激光撞击一部分Lexan材料的表面。Lexan聚碳酸酯允许大部分高强度光通过表面。只有一小部分残留，并且由图7（a）所示光线 正上方的粒子反射表示。当光从其他下表面反射时，反射光要么离开相机的视野，要么不在 期望的测试区域中。图7（a）中所见的反射是lexasn放置的表
资料编号：[4454]
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