流場可視化技術(shù)作業(yè)

1、專業(yè)：機(jī)械工程學(xué)系U形管道流場的數(shù)值模擬與可視化討論摘要：本文對u形管的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并簡要介紹了流場可視化技術(shù)的發(fā)展及分類.主要介紹了 PIV技術(shù) 的原理及DPIV技術(shù)的實驗系統(tǒng)。并對DPI V技術(shù)進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞U形管流場流場可視化 PIV技術(shù)專業(yè)：機(jī)械工程學(xué)系專業(yè)：機(jī)械工程學(xué)系1 U形管道流場數(shù)值模擬1.1基本條件實際工程應(yīng)用中，管道內(nèi)的流動是很常見的， 以卜是分析-個U形圓管內(nèi)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(nèi)徑為20mm流體的性質(zhì)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(shù)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(jié)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(shù)分類出口截面流線圖：2.1數(shù)值計算可視化技術(shù)由于用數(shù)值計算方法所得到的液壓技術(shù)中復(fù)雜 流道流場有關(guān)物理最的數(shù)據(jù)鼠是十分巨人的。如果 不借助于計算町視化技術(shù)，把計算所得到的人量數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)對流場 進(jìn)行正確的理解和認(rèn)識。因此，計算可視化技術(shù)在 科學(xué)計

3、算中包括對流場的數(shù)值計算中占有重要的地 位。計算可視化是依靠計算機(jī)本身的能力，把流體 力學(xué)數(shù)值模擬中涉及與產(chǎn)生的數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為直觀專業(yè)：機(jī)械工程學(xué)系的、易于人們理解的并町以進(jìn)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(xiàn)在人們面前， 以加快和加深人們對流場的結(jié)構(gòu)、流動現(xiàn)象及本質(zhì) 的認(rèn)識，發(fā)現(xiàn)那些僅僅通過數(shù)字信息發(fā)現(xiàn)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(shù) 可以達(dá)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(yīng)用是與科學(xué)計算町視化 Visualization In Scientific Computing 簡稱VISC) 的發(fā)展緊密相聯(lián)的。科學(xué)計算町視化是當(dāng)前

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

5、地增加。人們面 對如此海呈的數(shù)據(jù)是無法及時處理的，導(dǎo)致有很多 高價產(chǎn)生的數(shù)據(jù)被浪費掉了?？茖W(xué)計算可視化首先 是為了高效地處理科學(xué)數(shù)據(jù)和解釋科學(xué)數(shù)據(jù)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(fù)雜的數(shù)據(jù)以視覺形式表現(xiàn)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(xué) 計算町視化的基本思想是從準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，實施計算到 表達(dá)結(jié)果都由圖形或圖彖來完成或表現(xiàn)，最后結(jié)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(xué)町視化作為一種工具，通過將符號信息(數(shù)據(jù))轉(zhuǎn) 換成視覺倍息(圖象)，從而有效地匹配了人右側(cè)大 腦的能力。實現(xiàn)科學(xué)計算可視化可大大加快數(shù)據(jù)的 處理速度，町以在人與數(shù)據(jù)，人與

6、人之間實現(xiàn)圖象 通訊，從而觀察到傳統(tǒng)的科學(xué)計算中不町能觀察到 的現(xiàn)象和規(guī)律，了解物理過程中發(fā)生的現(xiàn)象，并町 通過改變參數(shù)對計算過程實現(xiàn)引導(dǎo)或控制。冃前正 是科學(xué)計算町視化技術(shù)研究和發(fā)展的黃金時期，科 學(xué)可視化技術(shù)應(yīng)用于流體和令限元分析領(lǐng)域，產(chǎn)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(lǐng)先水平，國內(nèi)這方面的 研究也已有很大發(fā)展3。2.2實驗可視化技術(shù)與科學(xué)計算可視化相對應(yīng)的另一門可視化技術(shù) 叫流場的實驗町視化技術(shù)，亦稱為流動顯示技術(shù)。在流體力學(xué)研究中所涉及的介質(zhì)常常足無色、透明、 不發(fā)光的，液壓傳動弓控制技術(shù)中所使用的齊種復(fù) 雜流道是不透明的。液體在管內(nèi)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(nèi)的流動狀態(tài)，就必須提供某種能使流動變成 可見的技術(shù)，這樣一種技術(shù)就叫流動顯示技術(shù)，或 叫流場可視化技術(shù)。流場町視化技術(shù)町在短時間內(nèi) 提供整個流場的借息，并且有不干擾流場的特性， 有些技術(shù)還叮以從所得圖像中導(dǎo)出定屋的信息。流 場町視化技術(shù)在流體力學(xué)研究中要作用，己 經(jīng)發(fā)展成為一種專門的技術(shù)陰。流場可視化技術(shù)主 要有以卜幾種:煙跡法、煙線法、氮氣泡顯示技術(shù)、 染色法、全息照相和全息干涉術(shù)、散斑照相和散斑 測速、激光誘發(fā)熒光技術(shù)、激光誘發(fā)熒光技術(shù)、粒 子圖象測速技術(shù)PIV(Particle Image Velocimetry) 等。3 PIV技

8、術(shù)的簡介3.1 PIV技術(shù)基本原理粒子圖像測速技術(shù)PW是全場測速技術(shù)中的一 種°FIV技術(shù)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(jìn)行求解。因此它發(fā)展迅 速，迄今為止，在二維全場測速技術(shù)中，PIV是最成 熟的一種新技術(shù)，己迅速變?yōu)闇y速的標(biāo)準(zhǔn)方法。PIV技術(shù)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(tǒng)攝取兩次或多 次曝比的粒子圖像，形成PIV底片。再用光學(xué)楊氏條 紋法或粒子圖象柑關(guān)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(tǒng)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(shù)中存 在的一個普遍問題.PW技術(shù)中示蹤粒子應(yīng)滿足很多 一般的要求，如無毒、無腐蝕、無磨蝕、化學(xué)性質(zhì) 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(zhì)屋仃很人影響5 o光源的強(qiáng)度應(yīng)足以 使流體中的示蹤粒子清晰，同時光強(qiáng)應(yīng)分布均勻； 光源最好為點光源通過一定的光學(xué)系統(tǒng)町形成所需 求的片光源照亮測試面;光源的譜分布應(yīng)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(yīng)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(jī)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(zhì)固體激光器、半導(dǎo)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(tǒng)簡介DPIV (Digital P

11、article Image Velocimetry) 是PIV技術(shù)的數(shù)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(nèi)瞬時速度 的測量技術(shù).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(xiàn)1石教英，倚文立編著科學(xué)計算可視化算法與系統(tǒng)北京北京 科學(xué)出版社.1996：2高殿榮.液壓技術(shù)中復(fù)雜流逍流場的數(shù)伉模擬與可視化研 丸D燕山大學(xué)2001,5：3孫啟明.流動鈦示的現(xiàn)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(wù)流動顯示與測量北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1997；5顏大樁.實驗流體力學(xué)北京：高等教育出版社19921 120：專業(yè)：機(jī)械工程學(xué)系專業(yè)：機(jī)械工程學(xué)系1.7水表2.5.S.9一閥門3貯液榊4一水泵6數(shù)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(zhǔn)確。專業(yè)：機(jī)械工程學(xué)系專業(yè)：機(jī)械