流场可视化技术作业

专业：机械工程学系U形管道流场的数值模拟与可视化讨论摘要：本文对u形管的流场进行了数值模拟，并简要介绍了流场可视化技术的发展及分类.主要介绍了 PIV技术 的原理及DPIV技术的实验系统。并对DPI V技术进行了展望。关键词U形管流场流场可视化 PIV技术专业：机械工程学系专业：机械工程学系1 U形管道流场数值模拟1.1基本条件实际工程应用中，管道内的流动是很常见的， 以卜是分析-个U形圆管内的流动压力和出I 1面速 度的情况。如下图所示的圆管。图1.3出口截面流线图1U形圆管示总图其直线段长度为500mm,半圆弧的半径为250mm,管内径为20mm流体的性质为：密度为850kg/m3,绝对粘度为0 051Pas入II速度为lm/s。由雷诺出口截面速度云图：g 112数的计算式Re = =其小于2000,因V /Z此在管中呈层流状态。1.2仿真结果压力分布云图：237 .31fit?XU.2L3S6Sfla.2S3图12压力分布公图图14出口速度云图2流场可视化技术分类出口截面流线图：2.1数值计算可视化技术由于用数值计算方法所得到的液压技术中复杂 流道流场有关物理最的数据鼠是十分巨人的。如果 不借助于计算町视化技术，把计算所得到的人量数 据转变成便于对流场直观分析和研究的町视化图形 或图象形式，就不可能有效地利用计算数据对流场 进行正确的理解和认识。因此，计算可视化技术在 科学计算中包括对流场的数值计算中占有重要的地 位。计算可视化是依靠计算机本身的能力，把流体 力学数值模拟中涉及与产生的数字信息转化为直观专业：机械工程学系的、易于人们理解的并町以进行交互分析的图形或 图象形式,把挣态的或动态的画面呈现在人们面前， 以加快和加深人们对流场的结构、流动现象及本质 的认识，发现那些仅仅通过数字信息发现不了的规 律，获得意想不到的启发和灵感。计算叮视化技术 可以达到缩短研究周期，提高研究工作效率的目的。 计算町视化的发展和应用是与科学计算町视化 Visualization In Scientific Computing 简称VISC) 的发展紧密相联的。科学计算町视化是当前计算机 学科的一个重要研究方向，这一科学术语正式出现 于1987年2月美国国家科学基金会召开的一个研讨 会上。科学计算町视化的形成是当代科学技术飞速 发展的结果11。进入80年代以后，科学数据的人 量产生与缺乏有效地解释这些数据于段的矛厉口益 尖锐因此出现了一方面不断产生数据.另一方面 无法及时解释和利用这些数据，而只能把海屋的科 学数据储存起來，形成浪费的局面。大容量科学数 据源主要有:超级计算机;卫星发回的地球资源、军 事侦察、气象数据;宇宙飞船发回的数据;射电天文 里远镜;地球物理监测数据、气象和空气动力计算、 医学图像等等。随着科学技术的进步，这些人量数 据源本身生成数据的能力还在不断地增加。人们面 对如此海呈的数据是无法及时处理的，导致有很多 高价产生的数据被浪费掉了。科学计算可视化首先 是为了高效地处理科学数据和解释科学数据而提出 并形成的，其次是为解决目前信息交流手段贫乏而 提出的，复杂的数据以视觉形式表现是最容易理解 的，因为图象是沟通思维的垠巫要手段Z。科学 计算町视化的基本思想是从准备数据，实施计算到 表达结果都由图形或图彖来完成或表现，最后结果 也以具有真实感的静态或动态图形来描述。这样科 学町视化作为一种工具，通过将符号信息(数据)转 换成视觉倍息(图象)，从而有效地匹配了人右侧大 脑的能力。实现科学计算可视化可大大加快数据的 处理速度，町以在人与数据，人与人之间实现图象 通讯，从而观察到传统的科学计算中不町能观察到 的现象和规律，了解物理过程中发生的现象，并町 通过改变参数对计算过程实现引导或控制。冃前正 是科学计算町视化技术研究和发展的黄金时期，科 学可视化技术应用于流体和令限元分析领域，产生 了计算流动可视化2和冇限元分析可视化2,这 两方面的研究国外己处于领先水平，国内这方面的 研究也已有很大发展3。2.2实验可视化技术与科学计算可视化相对应的另一门可视化技术 叫流场的实验町视化技术，亦称为流动显示技术。在流体力学研究中所涉及的介质常常足无色、透明、 不发光的，液压传动弓控制技术中所使用的齐种复 杂流道是不透明的。液体在管内的流动用肉眼是不 能百接观察到的，为了能直观、形象地描述流体在 管道内的流动状态，就必须提供某种能使流动变成 可见的技术，这样一种技术就叫流动显示技术，或 叫流场可视化技术。流场町视化技术町在短时间内 提供整个流场的借息，并且有不干扰流场的特性， 有些技术还叮以从所得图像中导出定屋的信息。流 场町视化技术在流体力学研究中要作用，己 经发展成为一种专门的技术阴。流场可视化技术主 要有以卜几种:烟迹法、烟线法、氮气泡显示技术、 染色法、全息照相和全息干涉术、散斑照相和散斑 测速、激光诱发荧光技术、激光诱发荧光技术、粒 子图象测速技术PIV(Particle Image Velocimetry) 等。3 PIV技术的简介3.1 PIV技术基本原理粒子图像测速技术PW是全场测速技术中的一 种FIV技术是一种不干扰流场的无接触式测量，町 以得到全流场瞬态的速度场，并fl容易对流场的其 它物理量如流线、涡量等进行求解。因此它发展迅 速，迄今为止，在二维全场测速技术中，PIV是最成 熟的一种新技术，己迅速变为测速的标准方法。PIV技术的基本原理回1周是在流场中撒布合适 的示踪粒子，用脉冲激光片光(lightSheet)照射所 测流场切而区域，通过成像记录系统摄取两次或多 次曝比的粒子图像，形成PIV底片。再用光学杨氏条 纹法或粒子图象柑关等方法逐点处理PIV底片，获取 每一判读点小区域中粒子图像的平均位移，由此确 定流场切而上多点的二维速度。PIV系统的工作过程 主要包括撤布粒子、片光源、摄像和图彖处理等几 个阶段。示踪粒子的行为是粒子示踪流场测试技术中存 在的一个普遍问题.PW技术中示踪粒子应满足很多 一般的要求，如无毒、无腐蚀、无磨蚀、化学性质 稳定、清洁，此外还有两个基本要求，即町见度高, 是良好的光散射体;粒子和流体流动Z间的相对运 动尽可能小，能够跟随流动。这两个要求冇些矛盾, 通常粒子的町见度随着它的尺寸的增加而增加，而 尺寸越人，粒子对流动的跟随性越差4。通常要求 粒子妁形状尽町能接近球形，其尺寸人小尽可能地 一致，直径也要尽可能地小一些。光源的辐射功率、谱分布和脉冲持续时间等对获取图像的质屋仃很人影响5 o光源的强度应足以 使流体中的示踪粒子清晰，同时光强应分布均匀； 光源最好为点光源通过一定的光学系统町形成所需 求的片光源照亮测试面;光源的谱分布应与图像传 感器的敏感光谱区域相匹配；光源脉冲的频率与相 位应与照相同步。通常的钩丝白炽灯代有连续光谱, 这种灯价格便宜，使用方便，稳定可靠。光的脉冲 可通过控制机械式的光闸来获得。激光光源的单色 性非常好，是流动可视化常用的一种相干光源，有 气体激光器、电介质固体激光器、半导体激光器和 燃料激光器等种类。常用的气体激光器有氮氛激光 器，通常用作为连续光源。3.2 DPIV实验系统简介DPIV (Digital Particle Image Velocimetry) 是PIV技术的数字化形式，它是一种利用一维片光 源照亮流场中的某一区域而测出该区域内瞬时速度 的测量技术.测量时先在待测流体中均匀投放示踪 粒子，利用满足跟随性的粒子的运动代表为地流体 的运动，通过测最示踪粒子的运动得到流场的速度 分布。图15为一 DPIV实验装置的基本组成参考文献1石教英，倚文立编著科学计算可视化算法与系统北京北京 科学出版社.1996：2高殿荣.液压技术中复杂流逍流场的数伉模拟与可视化研 丸D燕山大学2001,5：3孙启明.流动钛示的现状和发展 气动实齡与测虽控fei.19S9,Vbl.3 (3)9-15：4范洁川等编務流动显示与测量北京：机械工业出版社.1997；5颜大樁.实验流体力学北京：高等教育出版社19921 120：专业：机械工程学系专业：机械工程学系1.7水表2.5.S.9一阀门3贮液榊4一水泵6数字CCD10-被试模型11一激光器12柱透愷13三棱镜图15 DPIV实验装置通过实验可以脸证上面对U形管的出丨I截而流 场仿真是否准确。专业：机械工程学系专业：机械工程学系4结束语流体在流道内内的流动是十分复杂的三维流 动，对轴对称结构的流动系统町以釆用二维模型进 疔简化分析,但对非对称结构的流道,还是需要用 三维模型分析才能冇足够的稱度，冇待今后进一步 研究。在流场实验町视化研究方面，目前主要集中在 DPIV技术在二维全场测速技术中的应用，从进-步 提高实验可视化质量出发，应将DPIV技术进一步应 用于三维全场测速技术中.