层析粒子图像测速技术几个关键问题研究及湍流边界层Tomo-TRPIV测量

摘要

层析粒子图像测速技术是最新发展起来的基于光学层析方法实现对流场三维三分量速度矢量场的一种三维粒子图像测速技术。目前国外对层析粒子图像测速技术研究已有初步性成果,而国内还未开始或很少有对这方面的展开的研究。
　　首先,本文应用层析离散方式将三维空间粒子场离散成多个二维平面,再对应到相机投影图像中,相机记录二维图像就可以简化成一条直线阵列,通过层析方法就能够把一个三维重构问题简化成二维重构的降维简化模型。主要讨论了ART(代数重构技术)和MART(倍增代数重构技术)这两种经典的代数重构方法,对重构进行了数值模拟,对比ART与MART算法的数值实验结果,讨论与分析了各自的优缺点。并在此基础上,通过对初始的粒子图像前处理,粒子图像的重构有着较大的改善。此外,计算分析了粒子密度,相机个数对重构的影响。最后给出了按照这种层析简化方法进行的三维空间粒子场的重构。
　　其次,应用二维粒子图像测速实验验证与评估了层析粒子图像测速技术的流场测量能力。层析PIV能够实现对流场3D-3C速度场测量,对比二维平均速度场与三维层析平均速度场,发现在对数区内三维层析粒子图像测速实验的速度场符合预期的测速效果。而近壁区由于误差以及分辨率低等原因,三维层析PIV对近壁区的测量存在较大误差,因而壁面摩擦速度、壁面摩擦系数、壁面摩擦切应力等粘性内尺度参数的计算还是需要二维PIV进行一个辅助测量。
　　最后,应用层析TRPIV测量了水槽中平板湍流边界层3D-3C速度场的高分辨率时间序列。本文通过对层析TRPIV数据的对数律的大尺度结构进行了研究。通过流向脉动速度两点相关性分析证实了流场中存在流向拉长的、向下游倾斜的大尺度的拟序结构构,它主要由不对称的发卡涡组成,沿着法向,大尺度结构的流向长度逐渐增大,与壁面的夹角也逐渐增大。对大尺度结构尺度进行了统计分析,发现大尺度的长度尺度在壁面为0.27δ左右达到最大,而它的宽度尺度是随着远离壁面而增加的。然后计算与分析了相干结构的三维时空相关,它的迁移速度为0.4m/s,它的迁移速度与当地速度是不同的。另外,通过概率统计分析,流向速度 u在0.35m/s左右出现的鼓包说明了镶嵌在低速条带的涡结构频繁出现对其周围速度的影响起到主要作用。

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第一章 粒子图像测速技术

1.1 实验流体技术发展

1.2 粒子图像测速技术基本原理

1.3 粒子图像拍摄记录

1.4 计算粒子图像速度场

1.5双相机粒子图像测速技术

第二章 三维粒子图像测速技术的发展

2.1 扫描粒子图像测速技术（Scanning PIV）

2.2 散焦粒子图像测速技术（Defocusing PIV）

2.3 全息粒子图像测速技术（Holographic PIV）

2.4 层析粒子图像测速技术（Tomographic PIV）

第三章 层析粒子图像测速技术三维代数重构方法的研究

3.1 层析粒子图像测速技术的基本原理

3.2 层析简化模型

3.3 代数重构方法

3.4 层析粒子图像重构标定方法

3.5 数值实验结果与分析：

3.6 本章小结

第四章 层析粒子图像测速技术流场测量能力分析

4.1层析粒子图像测速技术系统组成

4.2 层析粒子图像测速实验步骤

4.3 层析粒子图像测速实验装置

4.4 层析粒子图像测速实验的标定

4.5 层析粒子图像测速技术流场测量能力分析

4.6 本章小节

第五章 湍流边界层大尺度结构层析TRPIV测量研究

5.1流向脉动速度在x-y平面内的两点相关性

5.2大尺度结构x-z平面内的特征尺度

5.3 流向速度的三维时空相关

5.4概率密度函数分析

5.5喷射与扫掠

5.6本章小节

第六章 主要结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢