流动可视化技术

实验是研究流体流动问题最基本的方法,通过实验可以验证理论计算的结果,也可以探索新的流动现象。流体力学实验中,流动显示和流动测量技术一直应用非常广泛,并且这些技术也随着科技的发展而不断地进步。

大部分气态或液态的流体都是透明介质,它们的运动用人眼直接观察往往是不可见的。为了辨认流体的运动,必须提供一套使流动可视化的技术,这种技术称之为流动显示技术(flow visualization technique)。流动显示技术已有一百多年的历史,它是随着流体力学的发展而发展起来的。1883年雷诺把染色液注入长的水平管道中的水流中,详细研究了从层流转变为湍流的情况,发现了相似规律并定义了雷诺数。1888年马赫(Mach)对激波现象的观察。1912年卡门通过观察水槽中圆柱体绕流提出了卡门涡街。1940年普朗特用示踪粒子获得了水沿平板的流谱图,观察表明靠近壁面有一薄层,其速度比距离薄层较远处的速度显著减小,这一观察使他提出了边界层的概念,并用同样的流动显示技术进行了几种边界层控制的实验。20世纪60年代脱体涡流型的研究,20世纪80年代大迎角分离流的研究和分离流型的提出,以及近代对三维、非定常复杂流动显示与测量的研究等,这些研究以流动显示和测量为基础,从流动现象的观察,不但在流体力学发展中取得了一次又一次的学术上的重大突破,并且广泛应用于工程实际。

随着电子技术、光学技术、材料技术、自动控制技术和计算技术等的发展,流动显示技术也有了长足的进步和发展。这些技术的发展不但对流体力学实验研究起到了“眼睛”的作用,而且为实验流场的分析提供了直观可靠的依据以及某些定量的实验结果,推动了流动显示技术和计算流体力学(CFD)技术的发展。

流动显示和测量技术通常需要加入示踪粒子。示踪粒子流动显示技术是一种往流体(液体或气体)中加入粒子,利用可见的粒子随流体运动来显示流动现象或通过测量粒子速度来确定流速的技术。示踪粒子流动显示技术应用十分广泛,近年来与数字图像处理技术相结合又发展了定量的全流场测量技术,如粒子成像测速(PIV)技术、激光多普勒动态粒子分析技术(PDA)和激光诱导荧光(LIF)技术。