流場可視化技術作業(yè)

1、專業(yè)：機械工程學系U形管道流場的數值模擬與可視化討論摘要：本文對u形管的流場進行了數值模擬，并簡要介紹了流場可視化技術的發(fā)展及分類.主要介紹了 PIV技術 的原理及DPIV技術的實驗系統。并對DPI V技術進行了展望。關鍵詞U形管流場流場可視化 PIV技術專業(yè)：機械工程學系專業(yè)：機械工程學系1 U形管道流場數值模擬1.1基本條件實際工程應用中，管道內的流動是很常見的， 以卜是分析-個U形圓管內的流動壓力和出I 1面速 度的情況。如下圖所示的圓管。圖1.3出口截面流線圖1U形圓管示總圖其直線段長度為500mm,半圓弧的半徑為250mm,管內徑為20mm流體的性質為：密度為850kg/m3,絕對粘

2、度為0 051Pas入II速度為lm/s。由雷諾出口截面速度云圖：g 112數的計算式Re = =其小于2000,因V /Z此在管中呈層流狀態(tài)。1.2仿真結果壓力分布云圖：237 .31fit?XU.2L3S6Sfla.2S3圖12壓力分布公圖圖14出口速度云圖2流場可視化技術分類出口截面流線圖：2.1數值計算可視化技術由于用數值計算方法所得到的液壓技術中復雜 流道流場有關物理最的數據鼠是十分巨人的。如果 不借助于計算町視化技術，把計算所得到的人量數 據轉變成便于對流場直觀分析和研究的町視化圖形 或圖象形式，就不可能有效地利用計算數據對流場 進行正確的理解和認識。因此，計算可視化技術在 科學計

3、算中包括對流場的數值計算中占有重要的地 位。計算可視化是依靠計算機本身的能力，把流體 力學數值模擬中涉及與產生的數字信息轉化為直觀專業(yè)：機械工程學系的、易于人們理解的并町以進行交互分析的圖形或 圖象形式,把掙態(tài)的或動態(tài)的畫面呈現在人們面前， 以加快和加深人們對流場的結構、流動現象及本質 的認識，發(fā)現那些僅僅通過數字信息發(fā)現不了的規(guī) 律，獲得意想不到的啟發(fā)和靈感。計算叮視化技術 可以達到縮短研究周期，提高研究工作效率的目的。 計算町視化的發(fā)展和應用是與科學計算町視化 Visualization In Scientific Computing 簡稱VISC) 的發(fā)展緊密相聯的?？茖W計算町視化是當前

4、計算機 學科的一個重要研究方向，這一科學術語正式出現 于1987年2月美國國家科學基金會召開的一個研討 會上。科學計算町視化的形成是當代科學技術飛速 發(fā)展的結果11。進入80年代以后，科學數據的人 量產生與缺乏有效地解釋這些數據于段的矛厲口益 尖銳因此出現了一方面不斷產生數據.另一方面 無法及時解釋和利用這些數據，而只能把海屋的科 學數據儲存起來，形成浪費的局面。大容量科學數 據源主要有:超級計算機;衛(wèi)星發(fā)回的地球資源、軍 事偵察、氣象數據;宇宙飛船發(fā)回的數據;射電天文 里遠鏡;地球物理監(jiān)測數據、氣象和空氣動力計算、 醫(yī)學圖像等等。隨著科學技術的進步，這些人量數 據源本身生成數據的能力還在不斷

5、地增加。人們面 對如此海呈的數據是無法及時處理的，導致有很多 高價產生的數據被浪費掉了?？茖W計算可視化首先 是為了高效地處理科學數據和解釋科學數據而提出 并形成的，其次是為解決目前信息交流手段貧乏而 提出的，復雜的數據以視覺形式表現是最容易理解 的，因為圖象是溝通思維的垠巫要手段Z?？茖W 計算町視化的基本思想是從準備數據，實施計算到 表達結果都由圖形或圖彖來完成或表現，最后結果 也以具有真實感的靜態(tài)或動態(tài)圖形來描述。這樣科 學町視化作為一種工具，通過將符號信息(數據)轉 換成視覺倍息(圖象)，從而有效地匹配了人右側大 腦的能力。實現科學計算可視化可大大加快數據的 處理速度，町以在人與數據，人與

6、人之間實現圖象 通訊，從而觀察到傳統的科學計算中不町能觀察到 的現象和規(guī)律，了解物理過程中發(fā)生的現象，并町 通過改變參數對計算過程實現引導或控制。冃前正 是科學計算町視化技術研究和發(fā)展的黃金時期，科 學可視化技術應用于流體和令限元分析領域，產生 了計算流動可視化2和冇限元分析可視化2,這 兩方面的研究國外己處于領先水平，國內這方面的 研究也已有很大發(fā)展3。2.2實驗可視化技術與科學計算可視化相對應的另一門可視化技術 叫流場的實驗町視化技術，亦稱為流動顯示技術。在流體力學研究中所涉及的介質常常足無色、透明、 不發(fā)光的，液壓傳動弓控制技術中所使用的齊種復 雜流道是不透明的。液體在管內的流動用肉眼是

7、不 能百接觀察到的，為了能直觀、形象地描述流體在 管道內的流動狀態(tài)，就必須提供某種能使流動變成 可見的技術，這樣一種技術就叫流動顯示技術，或 叫流場可視化技術。流場町視化技術町在短時間內 提供整個流場的借息，并且有不干擾流場的特性， 有些技術還叮以從所得圖像中導出定屋的信息。流 場町視化技術在流體力學研究中要作用，己 經發(fā)展成為一種專門的技術陰。流場可視化技術主 要有以卜幾種:煙跡法、煙線法、氮氣泡顯示技術、 染色法、全息照相和全息干涉術、散斑照相和散斑 測速、激光誘發(fā)熒光技術、激光誘發(fā)熒光技術、粒 子圖象測速技術PIV(Particle Image Velocimetry) 等。3 PIV技

8、術的簡介3.1 PIV技術基本原理粒子圖像測速技術PW是全場測速技術中的一 種°FIV技術是一種不干擾流場的無接觸式測量，町 以得到全流場瞬態(tài)的速度場，并fl容易對流場的其 它物理量如流線、渦量等進行求解。因此它發(fā)展迅 速，迄今為止，在二維全場測速技術中，PIV是最成 熟的一種新技術，己迅速變?yōu)闇y速的標準方法。PIV技術的基本原理回1周是在流場中撒布合適 的示蹤粒子，用脈沖激光片光(lightSheet)照射所 測流場切而區(qū)域，通過成像記錄系統攝取兩次或多 次曝比的粒子圖像，形成PIV底片。再用光學楊氏條 紋法或粒子圖象柑關等方法逐點處理PIV底片，獲取 每一判讀點小區(qū)域中粒子圖像的

9、平均位移，由此確 定流場切而上多點的二維速度。PIV系統的工作過程 主要包括撤布粒子、片光源、攝像和圖彖處理等幾 個階段。示蹤粒子的行為是粒子示蹤流場測試技術中存 在的一個普遍問題.PW技術中示蹤粒子應滿足很多 一般的要求，如無毒、無腐蝕、無磨蝕、化學性質 穩(wěn)定、清潔，此外還有兩個基本要求，即町見度高, 是良好的光散射體;粒子和流體流動Z間的相對運 動盡可能小，能夠跟隨流動。這兩個要求冇些矛盾, 通常粒子的町見度隨著它的尺寸的增加而增加，而 尺寸越人，粒子對流動的跟隨性越差4。通常要求 粒子妁形狀盡町能接近球形，其尺寸人小盡可能地 一致，直徑也要盡可能地小一些。光源的輻射功率、譜分布和脈沖持續(xù)

10、時間等對獲取圖像的質屋仃很人影響5 o光源的強度應足以 使流體中的示蹤粒子清晰，同時光強應分布均勻； 光源最好為點光源通過一定的光學系統町形成所需 求的片光源照亮測試面;光源的譜分布應與圖像傳 感器的敏感光譜區(qū)域相匹配；光源脈沖的頻率與相 位應與照相同步。通常的鉤絲白熾燈代有連續(xù)光譜, 這種燈價格便宜，使用方便，穩(wěn)定可靠。光的脈沖 可通過控制機械式的光閘來獲得。激光光源的單色 性非常好，是流動可視化常用的一種相干光源，有 氣體激光器、電介質固體激光器、半導體激光器和 燃料激光器等種類。常用的氣體激光器有氮氛激光 器，通常用作為連續(xù)光源。3.2 DPIV實驗系統簡介DPIV (Digital P

11、article Image Velocimetry) 是PIV技術的數字化形式，它是一種利用一維片光 源照亮流場中的某一區(qū)域而測出該區(qū)域內瞬時速度 的測量技術.測量時先在待測流體中均勻投放示蹤 粒子，利用滿足跟隨性的粒子的運動代表為地流體 的運動，通過測最示蹤粒子的運動得到流場的速度 分布。圖15為一 DPIV實驗裝置的基本組成參考文獻1石教英，倚文立編著科學計算可視化算法與系統北京北京 科學出版社.1996：2高殿榮.液壓技術中復雜流逍流場的數伉模擬與可視化研 丸D燕山大學2001,5：3孫啟明.流動鈦示的現狀和發(fā)展 氣動實齡與測雖控fei.19S9,Vbl.3 (3)9-15：4范潔川等編務流動顯示與測量北京：機械工業(yè)出版社.1997；5顏大樁.實驗流體力學北京：高等教育出版社19921 120：專業(yè)：機械工程學系專業(yè)：機械工程學系1.7水表2.5.S.9一閥門3貯液榊4一水泵6數字CCD10-被試模型11一激光器12柱透愷13三棱鏡圖15 DPIV實驗裝置通過實驗可以臉證上面對U形管的出丨I截而流 場仿真是否準確。專業(yè)：機械工程學系專業(yè)：機械