基于粒子图像测速的坡面流水动力学特性

粒子图像测速(Particle Image Velocimetry, PIV)技术具有多点同时测量、对水流无干扰的优点,该研究利用高分辨率PIV(分辨率为64 pixels/mm),测量了7组坡面流(水深范围为0.5～1.1 cm,雷诺数范围为1 000～3 000),并测量1组深水明渠紊流作为对照,研究了流速轮廓线和修正系数、紊动强度和雷诺应力、偏态系数和峰度系数的变化规律。结果表明:1)PIV能够有效观测坡面流床面至水面的流速分布。当坡面流流态为过渡流时,流速修正系数随着雷诺数的增加呈对数增加,均值为0.77;2)对比深水明渠紊流的紊动强度,坡面流的流向紊动强度较大,而垂向紊动强度较小,且随着水深及雷诺数的增加,坡面流紊动强度逐渐与深水明渠紊流的特征吻合。深水明渠紊流中受雷诺应力影响的流体占比约80%,而坡面流中受雷诺应力影响的流体占比小于80%,随着雷诺数的增加坡面流中受雷诺应力影响的流体占比变大;3)对比深水明渠紊流的峰度系数,坡面流的峰度系数大部分大于3,表明坡面流较深水明渠紊流出现极端流速事件的概率小。PIV技术有利于实验室研究坡面水力侵蚀的力学机理机制问题。     

浸没式膜生物反应器内膜面传质特性实验

应用粒子图像测速(PIV)技术测试膜面附近的气液两相流动力学特性,在6种不同曝气强度条件下,测试得到膜面附近的液相流场数据,并计算得到膜面传质系数、浓差极化边界层厚度以及膜面切向应力等膜面传质特性参数。结果表明,曝气强度和液相速度对膜面传质特性的影响较大,在一定范围内增加曝气强度可以使得膜面传质特性加强。本文的研究结果为膜生物反应器系统的优化设计提供了研究经验和实验数据。     

离心泵压水室内部定常和非定常流动PIV测量

为研究离心泵压水室内的流动特性,利用PIV技术在内同步和外同步模式下分别测量了其内部的定常和非定常流场,详细分析了压水室内部流动现象和流动规律。结果表明,压水室内速度沿轴向分布均匀,随圆周角增大而减小;在叶轮和压水室的交界处,存在清晰的速度分界线;受蜗舌的分流作用,部分流体回流入叶轮流道,扩散管入口处速度显著降低;压水室内部周期性非定常流动规律明显,第VIII断面上,速度的大小和波动幅度沿径向均呈减小趋势,周向速度的波动与叶轮流道内部高速流区的位置有关,而径向速度的波动主要受叶片干扰和哥氏力的影响。研究结果为压水室设计以及离心泵内部流动的试验研究提供了借鉴。     

基于粒子图像测速技术的液力变矩器涡轮内流场测试与分析

液力变矩器是自动变速器的主要部件,其在乘用车、载重汽车、公共汽车和机车上的应用广泛。液力变矩器内部流动特性影响其外部性能,为了深入研究其内部流动特性,基于粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术对液力变矩器涡轮内流场进行试验研究。采用帧频为1 000帧/s的CCD高速相机,在不同工况下(输入与输出的转速比分别取0、0.3、0.5、0.7)采集不同粒子直径、不同粒子浓度下的流动图像,经过图像预处理,对连续两帧图像进行互相关计算,获得涡轮径向切面的速度场和涡量场。通过对流场分布结构和流动区域上复杂流动现象的对比分析,发现投入流场中粒子浓度越高(1 500mL蒸馏水中投入2.4 g粒子)、粒子直径越小(10μm)时,识别并提取流动区域上的流动参数越丰富,流速场和涡量场信息越可靠。液力变矩器内部高梯度流场分布结构和非均匀流速场分布导致出现多尺度涡旋和反向流等复杂流动现象,造成液力变矩器内部流动能量损耗,随转速比提高,涡轮流场结构趋于规律,能耗逐渐降低。该文试验测量与分析结果对于液力变矩器结构优化和性能提升提供了参考。     

不同流量工况下斜流泵内部流场PIV试验

为了探索斜流泵的内部流动特性并优化斜流泵设计,基于粒子图像测速技术(PIV)对斜流泵内部流场进行测量,分析了不同相位叶轮截面处的流线和速度分布以及小流量工况下的涡量分布。研究结果表明,在小流量工况下,由于受到叶片压力面旋涡流动和吸力面脱流的影响,叶轮内部的流动呈现径向运动趋势,且流动紊乱;随着流量增大,叶轮流场流线逐渐向轴向方向移动并沿着轮毂轮廓线流动,在大流量工况下叶片压力面附近靠近端壁处形成明显的旋涡结构。0.6倍流量工况下,当叶轮进口进入拍摄断面时,在叶轮内部形成一个顺时针旋转的负涡;当叶轮出口进入拍摄断面时,在导叶进口外缘出现正向涡量集中区域,且随着叶轮的转动该区域向导叶进口方向移动;当叶片出口远离拍摄断面时,在导叶进口处出现负涡量区,揭示了斜流泵叶轮和导叶动静相干过程中能量损失的内在原因。     

An improved particle tracking velocimetry(PTV) technique to evaluate the velocity field of saltating particles

Velocity is a key parameter characterizing the movement of saltating particles. High-speed photography is an efficient method to record the velocity. But, manually determining the relevant information from these photographs is quite laborious. However, particle tracking velocimetry(PTV) can be used to measure the instantaneous velocity in fluids using tracer particles. The tracer particles have three basic features in fluids: similar movement patterns within a small region, a uniform particle distribution, and high particle density. Unfortunately, the saltation of sand particles in air is a stochastic process, and PTV has not yet been able to accurately determine the velocity field in a cloud of blowing sand. The aim of the present study was to develop an improved PTV technique to measure the downwind(horizontal) and vertical velocities of saltating sand. To demonstrate the feasibility of this new technique, we used it to investigate two-dimensional saltation of particles above a loose sand surface in a wind tunnel. We analyzed the properties of the saltating particles, including the probability distribution of particle velocity, variations in the mean velocity as a function of height, and particle turbulence. By automating much of the analysis, the improved PTV method can satisfy the requirement for a large sample size and can measure the velocity field of blowing sand more accurately than previously-used techniques. The results shed new light on the complicated mechanisms involved in sand saltation.     

Electrical velocimetry for noninvasive cardiac output and stroke volume variation measurements in dogs undergoing cardiovascular surgery

Objective

To compare electrical velocimetry (EV) noninvasive measures of cardiac output (CO) and stroke volume variation (SVV) in dogs undergoing cardiovascular surgery with those obtained with the conventional thermodilution technique using a pulmonary artery catheter.

制动工况下液力偶合器流场湍流模型分析与验证

合理选择湍流模型是获取准确和可靠数值模拟结果的关键。该文采用3种湍流模型(标准k-ε模型、分离涡模型、大涡模拟模型)仿真制动工况下方形腔液力偶合器流场,提取流速场和涡量场。基于粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术测量液力偶合器制动工况下流场,将数值模拟结果与PIV试验结果进行对比,以PIV试验测量结果作为评价基准,分析采用3种湍流模型计算流场结果的差异性,完成湍流模型的适用性分析。结果表明,标准k-ε模型仿真结果与PIV试验结果误差较大;采用大涡模拟模型模拟主流区域流场结构分布更加真实,仿真结果能够较好地解释主流区域多尺度涡旋运动规律和能量耗散机理;采用分离涡模型能够更准确地捕捉近壁面和角涡区高梯度流场结构分布。研究结果可为液力偶合器流场精确计算与性能预测提供参考。     

镂空方型增殖礁上升流特性的粒子图像测速试验

利用粒子图像测速技术（particle image velocimetry）对镂空方型增殖礁单体礁和组合礁的上升流流场特性进行分析,按照海区实测流速和礁区选址要求,设定5个不同的来流速度0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 m/s,并计算出试验流速分别为0.045、0.090、0.135、0.180、0.225 m/s。结果表明：单体礁在任何一种迎流方式下,上升流的规模都随来流速度的增加而增大;而相同来流速度下,主视面90o迎流时,上升流规模最大;单体俯视面45o迎流时,上升流规模最小;礁体横向组合排列时,礁体间距在0.5L～1.0 L时所产生的上升流规模最大,礁体间的协同作用最强;礁体纵向组合排列时,在0.5L～1.5 L倍的间距时,礁体间的相互作用较强,形成的上升流规模最大。     

Parallel Optical Method in Laser Speckle Velocimetry and Particle Image Velocimetry

A method of parallel optical processing of double exposure specklegram or particle image using hololens array is presented.It can greatly decrease the processing time because the mechanical moving time of the X Y translation stage is decreased by tens of times.