3.3 典型的流动显示技术在线视频

下面我们在介绍

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