[发明专利]基于荧光纤维丝示踪的壁湍流时空演化过程检测方法

摘要

本发明提供了一种基于荧光纤维丝示踪的壁湍流时空演化过程检测方法，包括：(1)制备测试样品；所述测试样品的表面分布有N个微细通孔；(2)将示踪标记物荧光纤维丝由测试样品的背面向正面贯穿入微细通孔内，并使荧光纤维丝在正面不露头；(3)在测试样品的正面施加流场，并采用光源系统持续照射待检测流场区域，同时通过流场图像采集系统以高精度时序记录荧光纤维丝的瞬时形态；(4)对荧光纤维丝的瞬时形态进行图像处理与计算拟合，重构并可视化近壁面流场的三维动态结构和其时空演化过程信息。本发明既有PIV技术瞬时、同步、多点测量的特点，又具有同时测量运动学与动力学特性、信噪比高、装置简易、成本低、可靠性高的突出优点。

主权项

1.一种基于荧光纤维丝示踪的壁湍流时空演化过程检测方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)制备测试样品；所述测试样品为厚度为1～15mm的平面、规则曲面或复杂曲面壳体件，材质是金属、非金属或高分子聚合物，要求其在流场测试过程中不因流体冲击力发生塑性变形；所述测试样品的表面分布有N个微细通孔，N为大于0的正整数；所述微细通孔2的侧壁面和表面光滑无毛刺，孔径小于100μm；(2)在测试样品的待检测流场区域内，将示踪标记物荧光纤维丝由测试样品的背面向正面贯穿入微细通孔内，并使荧光纤维丝在正面不露头；所述正面是指测试样品上被流场图像采集系统的CCD/CMOS高速相机拍摄的表面；所述荧光纤维丝是指采用化学方法进行荧光修饰处理后的丝径小于20μm的桑蚕丝、蜘蛛丝或人造纤维丝；(3)在测试样品的正面施加流场，并采用光源系统持续照射待检测流场区域，以激发荧光纤维丝的荧光效应；同时通过流场图像采集系统以高精度时序记录荧光纤维丝的瞬时形态；当施加流场后，近壁区边界层的湍流流动将使微细通孔在正面表面附近形成负压，从而形成微细通孔从背面到正面的液体流动，并使得荧光纤维丝穿过微细通孔进入测试样品壳体件正面的近壁区边界层内，近壁区边界层的湍流剪切力将裹挟荧光纤维丝一起运动，荧光纤维丝连续不断的由微细通孔曳出并跟随湍流运动；所述流场图像采集系统包括至少两个沿流向和展向布置的CCD/CMOS高速相机，并与高精度时序同步控制系统同步工作，用于从不同方向同步捕捉时间序列的示踪标记物图像并记录存储；(4)通过数据分析及可视化系统对步骤(3)中由CCD/CMOS高速相机以高精度时序记录的荧光纤维丝的瞬时形态进行图像处理与计算拟合，重构并可视化近壁面流场的三维动态结构和其时空演化过程信息；所述近壁面流场的三维动态结构和其时空演化过程信息包括如下：1)荧光纤维丝跟随湍流的运动历史，亦即荧光纤维丝的空间姿态随时间的动态变化过程；通过考察荧光纤维丝上特征段或特征点的运动历史，计算得到其跟随的湍流速度矢量的时空演化历史，通过考察整根荧光纤维丝及多根荧光纤维丝，拟合得到荧光纤维丝所在区域的湍流速度矢量的时空演化历史；2)根据荧光纤维丝的自身力学性能，结合1)中获得的荧光纤维丝跟随湍流的运动历史，估算出荧光纤维丝所在区域的湍流能量时空演化历史；3)根据荧光纤维丝从通孔不断曳出后的空间姿态随时间的动态变化过程，获得其跟随的某股湍流的时空演化过程。