現(xiàn)代流體測試技術(shù)-考試試題

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上2013-2014學(xué)年第一學(xué)期現(xiàn)代流體測試技術(shù)期末試題一、什么是測量，舉例說明3種流動顯示技術(shù)，詳述其特征。詳述流動顯示中的紋影法、陰影法和干涉法。1、測量是按照某種規(guī)律，用數(shù)據(jù)來描述觀察到的現(xiàn)象，即對事物作出量化描述。測量是對非量化實物的量化過程。2、例舉三種流動顯示技術(shù)：（1）靜態(tài)法中的涂膜法：這是一種比較常用的方法。這種方法就是在模型或原型表面涂以具有某種特性的涂料，然后置于流動中，根據(jù)涂層在試驗中出現(xiàn)的圖譜，可以分別定性地確定出層流和湍流區(qū)、轉(zhuǎn)捩點位置、流動分離區(qū)、表面壓力和表面溫度分布等流動性狀。不同的涂料配方，涂膜法顯示原理是不同的，選擇涂料要視所顯示的流

2、動性狀而定。例如，利用某些涂料在不同條件下的蒸發(fā)、升華或溶解度的不同，就可在顯示的圖譜中區(qū)分出層流區(qū)和湍流區(qū)。一般觀察水流中邊界層的轉(zhuǎn)換，可用安息香酸添加對苯二酚、雙醋酸醋、紅丹粉與鉻酸鉛粉末等。在氣流中，顯示邊界層的層流一湍流所用的涂料有輕油，液體石蠟與碳粉或與二氧化氫混合成的涂料、以及混有揮發(fā)液的陶土等。顯示溫度分布的方法是利用對溫度敏感的涂料，如液晶，由于已知其顏色是局部溫度的函數(shù)，因此，根據(jù)表面圖譜中的顏色分布，就得到物體表面的溫度分布。如果涂了涂料的物體表面在流動中可以變形，但又不影響流動，則流動對物面的不均勻壓力分布，使涂層產(chǎn)生一個確定的表面起伏，據(jù)此可分析出壓力分布的結(jié)果。這種方

3、法最適宜顯示馬赫波在壁面的反射，所用涂料是碳黑。（2）動態(tài)法中的光學(xué)方法：在高速氣流中，由于可壓縮性，無法應(yīng)用示蹤粒子法。由于光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)測試方法就在實驗流體力學(xué)中得到十分廣泛的應(yīng)用。雖然有各種光學(xué)方法，但其原理復(fù)雜，設(shè)備繁多。光學(xué)方法的基本原理可歸結(jié)為兩種:一種是光線通過流場，光的折射率隨流體密度而變，其折射偏轉(zhuǎn)量與流場密度分布有關(guān)；第二種是受到流場擾動的光線相對于未受擾動的光線，產(chǎn)生相移，這種相移量與流場密度變化有關(guān)。根據(jù)這兩種關(guān)系，可設(shè)計出各種裝置，對流場進行各種觀測。按照第一種原理設(shè)計的方法有陰影法和紋影法，按照后一種原理設(shè)計的有干涉法。還有綜合兩種原理而設(shè)計的紋影干涉法。這些

4、方法都是以幾何光學(xué)為基礎(chǔ)的，要求裝置有高度的機械穩(wěn)定性，以保證方法的靈敏度。此外，還有以波動光學(xué)為基礎(chǔ)的相差紋影法，基本原理是利用衍射產(chǎn)生相差，這種方法的靈敏度最高。（3）線簇法：這種方法就是在模型表面有規(guī)律地布之以一簇一簇的絲線，吹風(fēng)時，線簇指示的方向顯然代表物體表面附近氣流的方向。圖2則是用這種方法得到的汽車表面的流動。線簇法使用方便，應(yīng)用廣泛，但僅適用于低速流動。以上所述的幾種表面流動顯示法只能適用于定常流動，顯示邊界面附近流動的某些性狀。但是，它們的適用范圍十分寬廣，比如，油膜流動法對水流的測定范圍為10厘米/秒至15米/秒，對氣流為10米/秒至M=6，油點法甚至可用于M=12。6的流

5、動。3、（1）紋影法：原理與陰影法相同，但其靈敏度比陰影法高一個數(shù)量級。它是空氣動力學(xué)和熱力學(xué)試驗研究中用的最多的流動顯示方法，有彩色紋影法、干涉紋影法，從定性流動顯示過渡到定量流動顯示。紋影儀由光源、透鏡（或反射鏡）、刀口和觀察屏幕（或圖像記錄裝置）四部分組成。當(dāng)折射角一定的情況下，透鏡焦距越大、刀口光軸的距離越小，對比度就越大，所以，為了提高紋影儀的靈敏度，應(yīng)選用長焦距鏡頭，調(diào)整時應(yīng)盡量調(diào)小刀口光軸的距離至目視最小亮度為止。雙透鏡紋影儀的原理光路圖如下圖所示。（2）陰影法：陰影法簡單來說是將一束光束通過被測流場的測試段，根據(jù)光線受擾動后的線位移量，來分析氣流的密度或溫度分布。氣體折射率分布

6、不均勻的測試段擾動區(qū)，光線將發(fā)生偏移，在屏上呈現(xiàn)出亮暗不均的圖像，它反映了擾動區(qū)的線位移。陰影儀由光源、透鏡（或反射鏡）、顯示屏（或記錄圖像裝置）三部分組成。陰影法對于氣流二階導(dǎo)數(shù)的變化量敏感。如下二圖所示。氣體折射的不均勻性發(fā)生在y方向上，光線穿過厚度為L的測試段，在出口處偏轉(zhuǎn)了角，是y的函數(shù)，在觀察屏ysc區(qū)域內(nèi)光強與出口處y區(qū)域內(nèi)的光強不同，設(shè)原始光強為IT，則屏幕上的光強為 ，Zsc是測試段至屏幕之間的距離，則：，光強對比度Rc在x、y方向可簡化為：，陰影法是利用光線通過流場擾動區(qū)產(chǎn)生線位移得到的圖像的對比度來顯示折射場。 （3）干涉法：干涉法簡單來說是根據(jù)光線穿越流場后的相位的變化來

7、研究氣體折射率的空間分布。利用光的波動性，根據(jù)光線穿越流場后相位的變化來研究氣體折射率的空間分布，利用干涉圖中干涉條紋的變化推算出氣流密度的變化。單色平行光經(jīng)過分光鏡BS1分成兩束單色平行光，其中一束經(jīng)過平面反射鏡M2直射到觀察屏幕上，而另一束則經(jīng)過測試段而改變相位，再依次經(jīng)過反射鏡M1以及分光鏡BS2投射到觀察屏幕上，此兩束不同相位的單色光在屏幕上會合，便形成了干涉條紋，這些干涉條紋的圖像與測試段的流體折射率有關(guān)，而流體折射率和它的密度成正比，因而干涉條紋的圖像直接反映了流場密度的變化，干涉法采用激光光源后，由于激光的單色性好，使干涉法定量測量比較方便，設(shè)備也簡單。二、簡述熱線測速的測速原理

8、。作出恒溫?zé)峋€和恒流熱線的線路圖，詳述二者的工作原理及其差異。1、熱線測速是利用熱線（熱膜）的熱損失來測量流體流速，具體做法是將通有電流的金屬絲放在待測流場中，金屬絲由于電流的熱效應(yīng)而發(fā)熱，繼而與周圍介質(zhì)之間發(fā)生熱交換。當(dāng)介質(zhì)流速變化時，金屬絲的溫度隨之變化，并引起測量電路參數(shù)的改變，從而使電信號體現(xiàn)出流速變化，熱線測速的優(yōu)點是：檢測元件小，慣性小，頻響快，靈敏度高。熱線測速根據(jù)king公式來計算：。2、恒溫式HWFA原理圖如下所示。恒溫式是一種自動平衡電橋測量法，由于保持熱線工作溫度不變，流速與電壓之間是單值函數(shù)關(guān)系，所以其測量精度比恒流式高很多。由于熱線工作溫度始終自動控制在恒定值上，只要

9、操作得當(dāng)，就不易造成儀器損壞。恒溫式則具有熱滯后效應(yīng)很小、頻響寬的優(yōu)點，它可以用于測量快速變化的流場。故目前恒溫式熱線風(fēng)速儀遠比恒流式用得普遍。3、恒流式HWFA原理圖。恒流式是一種不平衡電橋測量法，電路結(jié)構(gòu)更簡單，電流固定不變時，隨著流體流速的增大，熱線上的熱損耗加大，工作溫度下降，造成測量靈敏度迅速降低，所以它在測量較高流速時反映就不夠靈敏，尤其當(dāng)流速突然下降時，由于熱線上的工作電流不變，溫度很高，很容易燒毀探針。因此，它不能用于流速變化比較快的場合，只適用于速度波動相對于平均速度是很小的場合。三、簡述多普勒頻移測速原理。多普勒頻移測速中速度的方向如何判斷，簡述參考光LDV的工作原理。1、

10、多普勒頻移測速技術(shù)是一種利用流體中散射粒子或固體表面堆入射激光進行散射，并通過光電探測器測得此散射光的多普勒頻移的技術(shù)，由于該散射光的多普勒頻移與散射粒子的速度呈簡單的線性關(guān)系，據(jù)此換算得到流體或固體表面的運動速度。光源S照射光的頻率為fS、粒子P的運動速度U，則根據(jù)相對論變換公式，經(jīng)多普勒效應(yīng)后粒子接收到的光波頻率為：，這就是運動微粒所接收到的光波頻率，也即散射光的光源頻率。當(dāng)靜止的光電檢測器從某一方向上觀察運動粒子的散射光時，由于它們之間的相對運動，接收到的散射光頻率fd與fP之間又存在頻移，它與光源頻率之間的差值就是多普勒頻移： 可見，如果已知光源、粒子和光電檢測器之間的相對位置，就可以

11、確定U在eP-eS方向上的投影大小，但僅據(jù)此還不能確定平面速度向量。許多情況下，速度方向往往是已知的，如有如圖激光光源、粒子速度方向和光電檢測器布置，可多普勒頻移表達式可簡化為： 2、參考光LDV：參考光技術(shù)是由于散播粒子濃度增加，直到照射光和散射光的衰減變?yōu)橄拗埔蛩匾郧埃瓌t上信噪比是增加的。它的工作原理描述為：將一束參考光直接照射到光電檢驗器，同散射光束進行光學(xué)外差，這束參考光必須與照亮運動粒子的激光來自同一光源 。由激光器發(fā)出的光束被分光鏡（半透半反射境）分開，其中絕大部分用于照亮被測流體中的待測區(qū)，隨流體運動的粒子產(chǎn)生的散射光由光電倍增管接收。從分束器出來的較弱的那束光是沒有頻移的參考

12、光，它被反射鏡直接反射到檢測器。為方便起見，參考光路中設(shè)置了中性密度濾光片，以保證檢測器上參考光與散射光的強度不會相差太大。光電倍增管的輸出包含了兩束光的差頻信號，這就是產(chǎn)生了多普勒頻移。四、簡述PIV測速原理，詳述進行PIV速度測量中的兩幀法和四幀法，PIV測速中的誤差有哪些？如何克服？1、凡是在流體中投放粒子，并利用粒子的圖像來測量流體速度的方法，通稱為粒子圖像測速技術(shù)（PIV）。它的原理是：在流場中布撒示蹤粒子，使用脈沖激光片光源照亮所測流場區(qū)域，通過連續(xù)兩次或多次曝光，粒子的圖像被記錄在底片或CCD相機，采用光學(xué)楊氏條紋法、自相關(guān)法或互相關(guān)法，處理PIV底片或CCD記錄的圖像，計算出流

13、場中各點的流速矢量，并計算出其他運動參量（包括流場速度矢量圖、速度分量圖、流線圖等）。 2、兩幀法，假設(shè)在兩幀連續(xù)圖像上的示蹤粒子滿足四條基本特征：粒子運動不能超過最大限制速度；粒子運動速度變化小；在同一個小區(qū)域的粒子表現(xiàn)出相同的運動；相容匹配，一幀圖像中的兩個粒子不能對應(yīng)與同一個粒子。它是基于示蹤粒子在流場局域運動基本相同的事實。兩幀法的操作步驟如下：第一步：按照特征最大速度特征，在L0i為中心的領(lǐng)域范圍內(nèi)(半徑為Rmax)，找到在第i幀圖像中的粒子L0i在第j幀圖像中的所有可能粒子(Lni,n=0,1,2,3,5),共5個。設(shè)L0i與它們匹配的概率均為P0， L0i與它們不匹配的概率為P0

14、*， P0與P0*的初始概率設(shè)為均勻分布：第二步：在L0i的鄰域范圍內(nèi)(半徑為Rnei)，找到L0i在第i幀圖像中的所有鄰域粒子Lmi(m=1,2,3,4,5),并根據(jù)特征流場局域特征，設(shè)定鄰域粒子Lmi(m=1,2,3,4,5)與L0i的位移矢量差應(yīng)滿足：第三步：在第二步的基礎(chǔ)上，將匹配概率按下式歸一化：，最終得到， 第四步：按上式構(gòu)成迭代公式，經(jīng)4、5次迭代，可能運動矢量的分叉概率被迅速增強，而不可能運動矢量的分叉概率被迅速衰減。選取L0i各個可能運動矢量中概率最大的運動矢量即判斷為L0i的運動矢量。3、四幀法：四幀法是利用示蹤粒子的運動學(xué)特征，用運動學(xué)規(guī)律去挑選可能的粒子運動軌跡，剔除不

15、可能的粒子運動假設(shè)。四幀法的原理圖參看下圖，首先根據(jù)流動情況預(yù)估最大流速（預(yù)設(shè)最大速度半徑R1），對于第i幀中一個粒子Pi，在半徑R1的范圍內(nèi)的所有第i+1幀中的粒子，記為Pi+1，都可能與Pi匹配，然后根據(jù)Pi和每一個在第i+1幀中可能與它匹配的粒子Pi+1可預(yù)估出Pi在第i+2幀及第i-1幀的位置，設(shè)置以預(yù)估位置為中心的一個誤差范圍R2(23個像素)，如果在第i+2幀及第i-1幀中都存在滿足誤差范圍的粒子數(shù)目為1，則與Pi所對應(yīng)的Pi+1被標(biāo)記為一個可能的匹配，如果在第i+2幀或第i-1幀中都沒有滿足誤差范圍的粒子存在，則與Pi所對應(yīng)的Pi+1的匹配被標(biāo)記為無效。用上述方法，將所有在第i+1幀中有可能與Pi匹配的粒子進行匹配，如果僅有一個匹配成功，則該匹配記為有效匹配，如果沒有一個匹配成功或者有多個匹配成功，則該匹配被記為不確定的匹配，然后根據(jù)有效匹配中Pi與Pi+1的位置，則可以確定出粒子Pi的運動速度。4、PIV測速中的誤差因素有以下幾點：首先