3.1 什么是流动显示在线视频

同学们大家好

现在我们开始

工程中的流动测试理论与方法第三讲

这一讲的题目是流动显示概论

这一讲主要讲以下四个部分

首先介绍什么是流动显示

然后介绍流动显示的原则

再介绍流动显示技术在流体力学发展中的作用

最后介绍几种典型的流动显示技术

那什么是流动显示呢

通常我们研究的流体介质

比如水 空气 汽油 酒精等

都是无色透明的流体介质

在通常情况下是不能直接观察到它的流动状态

必须在流体中加入可视的示踪材料

利用它的颜色 光学性质和在流体中的流动状态

近似的模拟流体的流动状态

这种方法我们就称为流动显示

那么我们先看看自然界中的流动显示现象

这是2007年美国陆地卫星7号

拍摄的阿留申群岛后边的卡门涡街

就是海水中的水气在流过这个群岛的时候

会在这个群岛的下游那么形成这种窝的结构

我们叫做卡门涡街那么利用空气中的水气呢

我们就能够把这个卡门涡街呢清楚的显示出来

这是2009年美国宇航局卫星拍摄的

扬曼因岛的卡门涡街

这是佛得角群岛后面的卡门涡街

那么这个群岛后边的卡门涡街呢

在船的航行的时候呢非常重要

如果我们船的航行

不小心跑到这个卡门涡街里面去

那么这个漩涡的力量非常大

就会把这个船吸到这个漩涡里去

甚至呢把它吸到海底

所以呢在这个船的航线上

我们一定要避开这种岛的卡门涡街

这是日本的屋久岛后边的卡门涡街

这是南太平洋的亚历山大赛尔扣克岛

那么在火山喷发呢也是自然界中

一个很典型的流动显示的现象

这是在国际空间站拍摄的

雷切夫火山爆发的这个图片

这是由德国摄影师所拍摄的

日本樱岛火山爆发加上闪电夹击的照片儿

这个照片呢入选了NASA网站的每日一图

美国是世界上龙卷风最活跃的地区之一

在美国平均每年有数十人甚至上百人

因龙卷风而丧生

下面是美国紧急事件管理处统计的

美国历史上危害力最猛的龙卷风

这是海面上的龙卷风它可以把海水一直吸上来

所以我们把它叫做水龙卷

海面和地面上的龙卷风呢

其涡轴可以从海面或地面一直延伸到云层

在涡的中心有强烈的轴向流动

能将海水或地面上的物体呢卷吸到高空

是一种破坏性极强的漩涡

这是日本东部名取在2001年地震时候

海啸引发的大的涡旋

在自然界中呢这种流动显示的现象呢比比皆是

这是在沙漠上那么风吹过沙漠以后留下的痕迹

我们叫做这个风吹过的这个脚印

那么这是沙漠上的这个漩涡留下的这个痕迹

右边呢这是叫沙波纹也是风吹过沙漠以后

留下的这种纹状的这种结构

这些呢都是流动显示的现象

这是河床上留下的沙波纹的痕迹

也是自然界中的流动显示的现象

我们就能够看到呢

在河床底部它的漩涡是怎样流动的

这是火山喷发由于火山的高温气体喷出

引起的水蒸气和烟雾

在空气中呢形成的这种流动显示的现象

这个是工程中一个很重要的现象

我们叫做翼梢涡就是在飞机的机翼顶部

由于机翼下面的压力大机翼上面的压力小

那么在翼梢部分呢

气体就会从机翼的下方卷向机翼的上方

形成翼梢涡这个翼梢涡在实际中

是一个尺度很大的漩涡

那么在飞机的起飞和降落的管理中呢

如果两架飞机离的很近那么前头飞机的翼梢涡

就很可能把后面的飞机打下来

所以呢在飞机起飞和降落的时候呢

两架飞机不能相距很近

必须得等到前面飞机的翼梢涡消散以后

后面的飞机才能起飞或者降落

那么我们可以看到在空气中

这个飞机的翼梢涡在云层里面

可以显示得非常的清楚

这也是飞机的翼梢涡的结构

这是在航空表演中飞机的翼梢涡的结构

我们看到这个航空表演的时候

五架飞机形成的翼梢涡的这个结构

还是很漂亮的

但是这个翼梢涡在航空中它的危害很大

这是协和号飞机在风洞中实验的时候

那么它的翼梢涡结构

这是一个动态的视频

我们可以看到飞机的翼梢涡的结构

这是在一个长的比如火箭

或者是导弹的这种飞行器呢

它有攻角飞行的时候在它的左右两边呢

会形成两个不对称的涡结构

由于它非常像猫头鹰的眼睛

所以我们把它叫做猫眼的结构

那么在这种有锥头的

有攻角的这种飞行器的流动中呢

这种猫眼子窝的结构呢是非常普遍的

那么它可以导致这个飞行器

左右受力呢不均衡引起震颤

也就是说呢它的跟随性要比较好

而且示踪物质的密度

要与流体介质密度呢相等或者是接近

那么这种示踪物质呢

在流体中不能有上飘或者是下沉

第二点呢就是这个示踪物质

必须能模拟空气或者是水的这种连续介质特性

那么示踪剂呢它的几何尺寸应该比较小

第三点就是这个示踪物质它的可视性要强

那么它要有颜色能够发光

或者是对光呢有比较好的散射折射等作用

这是可以作为示踪物质的这些物质和它的尺寸

那么一般在水中呢我们要求这个示踪物质呢

要处于10微米到50微米这个直径

那么在空气中呢

这示踪物质的这个尺寸呢要更小一点

一般要1微米左右它的跟随性比较好

第三部分咱们介绍流动显示技术

在流体力学发展中的作用

流动显示技术作为一种重要的实验技术呢

在流体力学发展中呢具有重要的作用

那么我们先看第一个

这个是意大利文艺复兴时期的著名的科学家

当然也是著名的画家达芬奇他画的一幅画

他画的就是这个水从渠道里流出来

形成的水流湍急的这个涡旋的这个情况

那么他就观察了水从渠道里流出来的这种状态

然后画出来这幅画

这幅画呢栩栩如生的描绘了

就是我们现在讲的湍流的这种情况

那么它是一个多尺度的涡旋结构

那么有一个很大尺度的涡旋还有中尺度涡旋

以及密密麻麻的这种小尺度的涡旋

这是我们可以看到的

最早的这种流动显示的这种图像

这个也是一个著名的流体力学实验

叫做雷诺圆管流动显示实验

这是英国曼彻斯特大学的

著名物理学家奥本雷诺在1883年他看到

这个水在管道中流动呢有两种状态

一种是层流状态 一种是湍流状态

他就是用染色线的这种方法

来观察到的这种现象

左边是他实验的一个示意的图

右边是他这个进行实验的这个照片

那么这个水在管道里流动呢

如果我们在这个管道的中心线上

引入一条染色液那么我们可以看到

当这个流动比较慢的时候

也就是流速比较低的时候呢

这个染色液是一条平直的线流动很稳定

但是如果我把流速开快一点

这时候这个染色液呢就会发生波动

就会抖动起来这个流动就不稳定了

如果我再开快一些呢

这时候这个染色液就会断裂就会破裂了

这个染色液它就破碎了

这就说明呢在这个管道的镜像上呢

它有很强的这个速度的扰动

如果我再开大一点这个流速呢

这时候这个染色液呢

就完全的和管道里的水就混合在一起了

那么这个流动呢就是一个十分混乱的状态

我们叫做湍流状态了

那么1883年呢雷诺就是利用这个实验

就发现了湍流这一基本流动形态

这个是在我们流体力学史上呢

也是具有里程碑的

还有一个著名的实验

就是德国的著名流体力学家普兰特

他在实验中呢发现

在这个水槽这个边壁上的水的流动呢

比水槽这个中心线上的流动要慢

他是当时是用这种

在水里边撒上铝粉的这种形式呢

进行的流动显示

右边就是他当时做实验的照片

他在这个水槽里呢撒上很细的铝粉

他就观察到呢在这个水槽中间

这个铝粉的流动的速度呢就很快

那么在水槽这个靠近边壁的地方呢

这个铝粉流动的速度就很慢

据此呢他就提出了

流体在固壁附近具有边界层这样一个概念

那么流体呢在固壁附近呢

因为受到边界层的这个粘性阻止的作用呢

它的流速是比较低的

然后沿着垂直固壁这个方向呢

这个流速在逐渐的增加

一直增加到呢中心线处呢

这个流速是最大的

所以呢普朗特在1904年就提出了

流体边界层的概念

这个是我们现代流体力学的开端

这就是当时普朗特在水槽中

用铝粉做的流动显示的图像

还有一个著名的例子

就是普兰特的学生冯卡门

那么他发现呢在圆柱流体流过圆柱以后

在圆柱的下游会形成这种反对称的涡旋结构

而且他论证了呢

这种反对称的涡旋结构是稳定的

所以后人就把这种

圆柱后面反对称的涡旋结构呢命名为卡门涡街

就是以冯卡门的名字来命名的

以上呢就是在流体力学的发展过程中

几个最典型的流动显示的这个成果

下面我们再介绍典型的流动显示技术

第一种就是烟流法

那么在风洞中我们用特制的这种装置呢

把这个烟流引入到气体的流动中

来显示气体流动中的这种流动的结构

因此叫做烟流法也叫烟线法

那么烟线法有很多种方式

比如说我们可以燃烧这个烟草锯末

等等这些物质产生烟

也可以呢在这个电阻丝上涂上硅油

通过通电加热使这个硅油呢产生烟雾

就可以进行流动显示这叫烟流法

烟流法在风洞试验中呢具有很重要的作用

第一种这是烟流法那么这就是在汽车风洞中

我们用烟流法显示的汽车周围的流场

我们可以清晰的看到这个气流绕过汽车流动时

在汽车表面形成的这种流动的结构

这是一个飞机的机翼

那么气流绕过这个机翼流动的时候

在机翼表面形成的流动的结构

这是我们课题组做的一个重要的实验

就是如果我在这个射流的喷嘴上

如果加上一些齿

那么这个射流的喷嘴呢它就不是圆形的了

那么它是有一种齿状的这种结构

那么如果我们把它用加入烟线以后

可以看到它的这个流动显示的

这个涡结构的这种状况

那么这种结构呢可以增强这个射流

和周围流体的这种混合

也可以呢减小这个射流的产生的这种噪声

比如我们的这个发动机的喷口

如果它这个噪声是很大的

如果加上这种齿以后呢

可以把它这个喷出来这种涡旋结构呢

给它破坏掉它就使得这个噪声呢降低

这也是在汽车风洞里头

我们做的这个汽车表面的这种流动的显示

是用烟线法做的

这是一个机翼的烟线法的流动显示

可以看到在机翼上方呢

这个流动边界层的分离的状态

就是这个流体呢要从这个涡旋呢

要从这个机翼表面分离

这是这个机翼呢没有流动分离的这种状态

这个就是圆柱绕流的烟线的流动显示

我们看到这个圆柱绕流后边

它形成的这种涡旋结构

这也是一个机翼表面的绕流结构

这是一个圆柱立着的

如果来流从左面流过来以后

在这个圆柱的根部

形成的这种分离涡的结构分离的涡系

那么我们看到它不是一个漩涡

它会诱导出呢很多个漩涡

这种涡系对于比如桥墩这种结构

具有很大的破坏作用

它可以掏挖这个桥墩的根部它的基部

使这个桥墩的基础呢受到破坏

这是协和号飞机它的表面的烟线流动显示

我们知道这个协和号飞机呢是这种客机

但是它是超音速的客机

它呢由于这个噪音比较大燃料的损耗也比较大

所以呢现在已经停止使用了

第二种流动显示方法叫做丝线法

就是用在这个模型的表面

我们贴上柔软的细丝线 尼龙线 羊毛线等等

那么它的长度呢一般是15到20毫米

那么利用这个丝线在风飘动的这种情况呢

来显示流动的状态

如果这个表面是层流的状态呢

那么这个丝线的顺流方向呢几乎保持不动

很平稳的这就是层流状态

如果这个丝线有明显的抖动

那么它就是处于这种流动不稳定的状态

如果这个丝线有强烈的卷曲这种情况呢

那么就说明这个地方有很强烈漩涡结构

那么现在呢

我们已经把这些丝线呢加上荧光染料

做成荧光的丝线

那么它可以呢在激光的照射下呢

它可以产生荧光

那么使这种丝线的流动显示图像呢更加清晰

这是在一个机翼的表面

我们看到用丝线法显示的流动状态

那么在机翼的前缘呢

它的丝线是平直的几乎不动的

那么它是一种层流的状态

到这个机翼的下游呢

那么这个丝线呢抖动非常剧烈

那么它是湍流状态

而且我们看到在这个机翼和机身的结合部呢

它这个丝线也是抖动的非常剧烈

说明这里边的漩涡呢非常的强烈

第三种方法是粉尘法

就是用很细的粉尘涂抹在模型表面

那么在风洞里吹风以后可以在这个模型表面呢

形成这种流动结构那么这就是粉尘法

粉尘法呢实际上就是从自然界中

我们风吹过沙漠以后留下的痕迹

来受到这个启发我们提出的这种方法

比如粉尘法在这个工业中

比如说汽车设计还有这个高铁的设计

都是利用这个粉尘法

特别有意思的是在2010年呢

天津下了一场大雪这个大雪有50厘米厚

那么在我们家的这个楼下的花坛周围呢

我们看到风吹过这个花坛的时候

在这个花坛周围有一圈是没有雪的这种结构

而且在这个雪的这上头呢形成很漂亮的花纹

这个就是风吹过这个花坛以后

在这个花坛的根部

形成的这种涡旋结构留下的痕迹

它把这个雪呢从这个花坛的根部呢都卷吸出来

所以在花坛的根部是没有雪的

而且在这个边界上呢

形成很漂亮的这种涡旋旋转的这个花纹

那么这个我写成了一篇文章

就叫做花坛下的马蹄窝

漫谈自然界和工程中的马蹄窝

这是在力学与实践上发表的

第四种方法叫做油膜法

受这个粉尘法的启发我们如果在这个模型表面

涂抹上这种掺有染料的油膜

而且在模型的不同部位呢

用不同颜色的染料进行涂抹

那么这时候呢在风洞里吹风以后

我们可以看到不同颜色的油膜

它的掺混的程度 掺混的状态

以及形成的流动结构呢

都会在模型上显示出来因此呢这叫油膜法

现在呢也可以在油膜中呢

掺入少量的荧光剂在紫外线的照射下呢

也可以显示出荧光的这种图像那么更加清晰

这个就是用油膜法显示的头盔的表面

它在这种流动的状态

这个是在用油膜法显示的在机翼的表面

机翼的前缘是层流状态

中间呢这个油膜掺混呢是这种转列

就是不稳定的状态

最后边呢机翼的后方呢就是湍流状态

它掺混的非常剧烈了

第五种方法就是升华法

升华法呢和油膜法类似

就是将具有升华特征的一些物质

比如说是氖等等涂抹在模型的表面

利用它的这种氖

在不同温度下的这种升华的这种状态

来显示这种流动状态

如果这个模型传热比较剧烈呢

那么这种物质呢它就升华了

那么在这个模型表面就不存在了

如果这个温度传热不太剧烈呢

那么这个物质呢就还留在这个模型表面

所以利用这种物质的升华的这种特性呢

可以显示这个模型表面的流动状态

第六种是蒸汽屏法

就是利用水蒸气或者是其它易挥发物质

产生的这种液滴雾滴的这种蒸汽

来显示流动的状态

这是我们在加湿器中喷出的这种水蒸气的雾滴

如果用激光照射以后

这种小的物滴呢对激光产生反射

形成这种很亮的这种流动图像

这种流动状态我们就可以看到这种加湿器

表面的这种涡旋的结构

那么在后边儿的流动显示的实验演示中呢

我们还可以具体的看到这个实验

第七种流动显示方法呢就是液晶显示法

那么利用液晶的颜色随温度改变的这种特性呢

来识别层流 湍流和激波等等涡旋结构

这种流动的结构和现象

比如在卡门涡街我们可以就利用液晶呢

显示它这个涡旋结构

这个是用液晶流动显示的方法

显示的汽轮机叶片表面的流动状态

我们看到在汽轮机

由于它叶片附近不同的温度特征

引起呢液晶它显示出不同的颜色

那么我们可以看到这种液晶显示的叶片

前端这种流动分离以及后端形成的

这种边界层的湍流状态

都可以很清晰的显示出来

第八种就是在水中的氢气泡流动显示方法

我们知道水是由氢和氧组成的

如果我们在水中插入一个直流的电极

那么在电极的负极附近就会产生氢气泡

而在电极的正极部分就会产生氧气泡

那么我们利用在电极的负极产生的氢气泡呢

可以清晰的显示水中的流动结构

这个就是一个氢气泡显示的示意图

那么我们在这个里面呢

如果在水里头在这个负极上是用一根钨丝

这个钨丝的直径呢一般是在30微米左右

也就是和人的头发丝差不多粗细

那么我们用直流电呢

把它接到这个直流电的负极

接到这个阴极这个钨丝上

那么在这个钨丝上呢

就会电解出水的很细小的氢气泡

那么利用这种氢气泡呢

就可以显示水中的流动结构

如果在这个阴极丝上

间隔的一定的长度凃上这个绝缘漆

那么它出来的这个氢气泡呢

就是一个间断的一块一块的氢气泡

我们再加上这个直流电源

给它是周期的脉冲电源用这种方波式的

那么它就会产生这种氢气泡块

那么如果在均匀的流动中

这个氢气泡块就是一个方形的氢气泡块

但是在具有剧烈的剪切的这个地方呢

这个氢气泡块呢就会产生变形

我们可以看到在这个边壁的地方

这个氢气泡块都变成扁平细长的

这就说明在这个边壁上呢

水的流动呢具有很大的变形

可以很清晰的显示出流动的结构来

利用这个道理那么在1967年

美国斯坦福大学的克莱因教授呢

就很清晰的显示出

湍流边界层中的这种低速条带的结构

这个就是1967年美国斯坦福大学的克莱因教授

利用氢气泡流动显示的方法显示出来的这种

湍流边界层近壁区的低速条带结构

因为在近壁区有的地方呢它的流速比较低

那么这时候氢气泡呢它就要聚集起来

聚集起来以后它的散射光强就很强

就显示出呢这种氢气泡这个条带呢非常的明亮

在我们这个照片里就是一种

白色的很明亮的这种结构

而在高速条带的地方呢由于流动比较快

这个氢气泡呢它就扩散得很快它就很稀疏

因此呢它的散射光就很暗

那么在这个图片中呢

就表现出这种黑暗的这种条带的结构

这是我们在实验室的水槽中

用氢气泡流动显示的方法

显示出的这种条带型的这种结构

那么我们后边在下一次的实验中呢

还要看到这个实验

这个是我们看到的经过图像处理以后的

就是氢气泡线显示的这种湍流边界层

近壁区的这种高低速的条带结构

我们可以看到呢

在这种低速条带的地方呢它是很亮的

因为它的流速很低呢它就在那个流动上堆积

所以它这个氢气泡聚集就是突出来

那么它的这个条带呢散射光很强就非常亮

在这个高速条带的地方呢

因为氢气泡扩散的比较快

氢气泡的浓度很低

它的散射光比较弱它就不太亮

那么它是这种凹下去的这种结构

如果我们把这个氢气泡线呢垂直壁面放呢

我们就会看到在近壁区这种流向的涡旋结构

我们看到像一条虫子一样趴在这个近壁上

它的头要抬起来这种流向的涡旋结构

我们看的比较清楚了

那么现在呢

我们可以把这个氢气泡的这个图像呢

用这个摄像机

或者是高速相机的形式给它拍摄下来

做这种数字图像的处理

使得这个流动呢定量化

这个就是我们做流动显示用的直流脉冲电源

它可以产生这种巨型方波式的这种电流

来使得电解氢气泡呢变成这个氢气泡线

这个是我们做流动显示用的激光的片光源

那么它打出的是一片激光

使这一层的流动结构呢照得很亮

那么我可以对这个

氢气泡流动显示的图像呢进行数字图像处理

然后可以得到这种定量化的这种流动结构

这是我们先把这个彩色图像

给它变成黑白的这种二值化的这种图像

然后利用图像处理我们就可以看到

这个流动的这种高低速的条带结构

这里蓝色的呢是低速条带结构

这种红色的呢就是高速条带的结构

在不同时刻

我们可以看到这种条带的运动的状态

我们看到这个高速条带向下游流动

低速条带呢它流动的速度就比较慢

这种高低速条带的这种流动状态

第九种方法就是激光诱导荧光的方法

这种方法呢我们在下一讲呢还要单独的介绍

这个就是用激光诱导荧光的方法

得到的这种卡门涡街的

涡旋结构的这种流动状态

这也是用激光诱导荧光方法得到的

这个卡门涡街的结构

这是汽车模型在水洞里面做实验的这个照片

那么它表面的就是用的这种

激光诱导荧光的这种流动显示方法

第十种方法在水中用的呢

就是用染色液的方法

在水里头如果我们加上

和水密度接近的可溶性的染料制成染色液

那么可以清晰的显示水中的流动显示结构

比如这是一个从这个小孔中喷出的射流

我们可以在这个水中可以清晰的看到呢

它这个流动结构的这种演化的状态

那么水中呢

从一个小孔中喷出来的这种射流呢

开始是层流状态

但是它的表面呢有这种不稳定波

随着这种不稳定波的这种演化呢

这个射流呢就不稳定最后呢放大

最后就变成了湍流状态

这个也是在水槽里边做的流动显示

这是一个半圆形防波堤的模型

我们利用染色液的方法呢

可以看到水流过这个半圆形防波堤以后

在它的后方形成的这种大尺度的

分离涡的这种涡旋结构这显示的非常清楚

这个我们也可以看出来

这个是一个模拟一个烟囱冒出的烟

对于一个住宅小区的空气污染的状态

我们做的这个流动显示

今天呢我们就给大家介绍了这种流动显示技术

那么包括流动显示技术的概念

它的这个流动显示的原则

流动显示在流体力学发展中的重要的作用

以及给大家介绍了十种常用的流动显示技术

那么今天呢我们这一讲呢就到这里

谢谢大家 再见