单帧多曝光湍流流场多参数测量方法研究
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摘要
在单帧单曝光(Single Frame-Single Exposure,SFSE)方法的基础上,提出了单帧多曝光(Single Frame-Multiple Exposure,SFME)方法,不仅可以得到流场的速度场,还可以直接得到加速度场,力场、湍流强度、湍流应力等更多场参数。SFSE测速是基于单次长曝光的运动模糊图像,其包含了示踪粒子与相机的相对位移信息,即模糊长度S和光学系统的传递关系,利用曝光时间△t即可获得物体在该段时间内的平均运动速度,但速度方向存在二义性问题。单帧多曝光测量方法的基本思想是在单次曝光的基础上,在一幅图像中采用多次曝光(短曝光与长曝光组合),根据各次曝光得到的示踪粒子的轨迹的不同来判别复杂流场的流动方向。如图1所示曝光时间参数为500μs+1000μs+2000μs+3000μs、每次曝光间的时间间隔均为300us所获得的示踪粒子的轨迹。由图框中粒子四段轨迹的明显长度差异可知颗粒流动方向为自左上向右下方向流动。由于每段轨迹均可以得到该时间的流速,比较每段轨迹的速度变化,还可获得流场的其他参数,如加速度、示踪粒子所受到的拽力、湍动强度、湍流应力等。如图2(a)中第10段轨迹所对应粒子的三段轨迹速度分别为0.012m/s、0.027m/s和0.035m/s,加速度分别为2.612 m/s~2和1.737m/s~2。,说明是加速度减小的加速运动;由于所采用的是三氧化二铝颗粒,其密度ρ为3.97g/cm~3,粒度D为3μm,因此所受流体对其的作用力为1.41*10~(-13)N;图2(b)颗粒的旋转运动的平均角速度为3737rad/s,涡量为7474/s,第二段与第三段轨迹的之间角速度变化量较大,角加速度为1.71*10~6rad/s~2。根据这些参数,还可以进一步得到湍流应力等其他参数,为湍流机理研究等提供更多的信息。
引文