看见流动之美 — 了解流体力学中的流动显示与测量技术

流动显示与测量技术是流体力学的重要组成部分，是发现新的流动现象、探索流动机理、测量复杂流动和分析其绕流特性的重要手段，在工程上也有重要的实用价值。

传统的流动显示技术大致可分为10类，新一代的流动显示技术大致可有4类。下面一一介绍。

一、传统的流动显示技术

1 染色线法

染色线法属液体示踪粒子流动显示，多用于水洞或水槽中。

其基本原理是在被测的流场中设置若于点，在这些点上不断释放某种颜色的液体，它随流过该点的流体微团一起往下游流法，这样，流经该点的所有流体微团都被染上颜色。这些流体微团组成了可视的染色线，用以显示流动特性。

2 烟线法

烟线法是在风洞模型的上游横放一根与来流垂直的金属电阻丝线，或在模型特定位置固定金属电阻丝线，实验前在金属电阻丝线上涂上一层油，实验时，通电使金属电阻丝线发热，油受热发烟，形成白色烟雾，随气流向下游流去。    

烟线技术就是使金属电阻丝通电受热，使涂抹在金属电阻丝上的油蒸发产生烟雾，但这种方法产生的烟雾量少、时间短，要想获得理想的流动显示照片（图像）必须掌握好拍摄的时机，并对相机（摄像机）、光源以及发烟装置进行同步控制。

3 氢气泡法

根据电化学可知，水在直流电压作用下在阴极产生氢气，在阳极产生氧气。当氢气泡发生器的电压加在钨丝和碳棒上时，在钨丝上就会产生和丝直径相当的氢气泡。这些气泡在强光的照射下成为可视的。因此就可以用这些氢气泡显示流场。当氢气泡发生器发出的是脉冲式电压时，氢气泡也出现脉冲式的，这种被称为“时间线”。当脉冲间隔已知时，测出时间线之间的距离，可以得到水流的速度。    

4 油流法

在粘性的油中掺进适量指示剂(如炭黑)并滴入油酸，配制成糊状液态物，均匀地涂在模型表面。实验时通过指示剂颗粒沿流向形成的纹理结构，显示出模型表面的流动图形。如果油中加入少量荧光染料，则在紫外线照射下可以显现出荧光条纹图，称为荧光油流图。它可以显示模型表面气流流动方向、边界层过渡点位置、气流分离区、激波与边界层相互干扰等流动现象。

5 丝线流动法    

将丝线、羊毛等纤维粘贴在要观察的模型表面或模型后的网格上，由丝线的运动 (丝线转动、抖动或倒转) 可以判明气流的方向和分离区的位置以及空间涡的位置、转向等。现在又发展到用比丝线更细的尼龙丝，有时细到连肉眼都看不清。将尼龙丝用荧光染料处理后再粘在模型上。这种丝线在紫外线照射下显示出来，并且可以拍摄下来。粘丝很细，对模型没有影响，可同时进行测力实验。此法称为荧光丝线法。

6 升华法

升华法是根据边界层的层流区和湍流区流态存在差别来判断边界层转挨的一种测量方法。其具体方法是先将固态物质禁与丙酮溶剂配制成浓度为10%的溶液，用喷壶均匀地喷洒在模型表面，使模型表面呈现出一层均匀的薄薄的白色粉状禁晶体(此时丙酮已挥发);再把模型表面的颗粒状的禁晶体及杂物颗粒清理干净，否则这些颗粒会引起楔形的湍流区，不利于实验的观察。准备完毕后吹风实验，当气流流过模型表面时，由于模型湍流区气流的脉动速度大于层流区，扩散速率增大使得湍流区表面的禁层很快升华掉，而层流区尚未完成升华，导致层流区、湍流区交界处(转挨区)存在明显的分界线。这也是升华法测量机翼表面流动转挨的机理。    

7 液晶法

利用液晶颜色随温度而改变的特性来识别层流、湍流边界层和激波。液晶是一种油状有机物,温度较低时，无色透明,随着温度上升，便以红、黄、绿、蓝、无色的顺序改变，能鉴别有微小温差的层流和湍流边界层流动以及激波前后的温差。它适用于高速和超声速流态观察。液晶的涂法与漆类似，先稀释，再喷涂。液晶对污物杂质敏感，喷涂时，模型表面必须干净。

8 阴影法

阴影法是光学显示中最简单的一种，将一束光（散射或平行光）透过流动试验区投射到屏幕上（或通过透镜），若试验区内流体未受扰动，密度均匀，屏幕上亮度均匀；若流体受扰动，由于密度变化引起光线偏折，投射到屏幕后偏离原来位置，将出现暗纹，一般能定性观察激波、边界层、尾流、旋涡等。

9 纹影法

其基本原理，是利用光在被测流场中的折射率梯度正比于流场的气流密度进行测量，广泛用于观测气流的边界层、燃烧、激波、气体内的冷热对流以及风洞或水洞流场。

利用光在被测流场中的折射率梯度正比于流场的气流密度的原理，将流场中密度梯度的变化转变为记录平面上相对光强的变化，使可压缩流场中的激波、压缩波等密度变化剧烈的区域成为可观察、可分辨的图像，从而记录下来。    

10 干涉法

光在不同介质中的传播速度是不同的，与介质的折射率有关。干涉法根据光线相位变化来确定折射率。密度均匀，则干涉条纹彼此平行。密度不均匀，则干涉条纹发生移动或变形，干涉条纹的改变与流体密度的变化有关。

二、新一代的流动显示技术

其特点如下：1、是计算机计算、激光技术、电子技术、信息处理技术的高速发展出的融合。2、兼有定性和写量两重优点。3、实现对非定常复杂流动的空间结构的瞬态显示和测量。4、通用性强，适用范围广。

1 粒子图像测速（PIV）

粒子图像测速，是一种用多次摄像以记录流场中粒子的位置，并分析摄得的图像，从而测出流动速度的方法。其基本原理是在流场中布撒示踪粒子，并用脉冲激光片光源入射到所测流场区域中，通过连续两次或多次曝光，粒子的图像被记录在底片上或CCD相机上。采用光学杨氏条纹法、自相关法或互相关法，逐点处理PIV底片或CC 记录的图像，获得流场速度分布。因采用的记录设备不同，又分别称FPIV（用胶片作记录）和数字式图像测速DPW（用CCD相机作记录）。

粒子图像测速技术作为研究各种复杂流场的一种基本手段，已广泛应用于各种流动中，从定常流动到非定常流动、低速流动到高速流动、单相流动到多相流动，非常适于研究涡流、湍流等复杂的流动结构，也可应用于粒子测速和图像测速等前沿科学等方面。

2 激光诱导荧光（LIF）

激光诱导荧光流动显示测量是一种利用某些物质分子或原子在激光的照射下能激发荧光的特性来显示并测量流动特性的技术。它具有测定气流的密度、温度、速度、压力和混合物的光分子数的能力。它是以分子或原子作示踪粒子，该技术的关键是选择合适的物质与特定波长的激光光源相匹配，并产生足够强度的荧光信号为探测器所接收。目前发现具有激光荧光特性的分子或原子有氢氧根(OH )，碳氢根(HC )，二氧化氮，氧分子，氧原子(O)，丁二酮分子，碘分子，一氧化碳等。在液体中可掺人荧光染料(例如氯单明)用于液体中激光荧光显示。每种物质需不同波长的激光器，例如碘分子与氢离子激光器（波长514.5mm）匹配，氧分子或氧原子、CO、CH等与各种染料激光器匹配，它们是以YAG激光作泵的外激光器，选用不同染料，产生不同波长的紫外激光，例如丁二酮与氟化氨激光器匹配（波长315mm）。

3 激光分子测速（LMV）    

能通过激光对物体运行速度的测量，它是对被测物体进行两次有特定时间间隔的激光测距，取得在该一时段内被测物体的移动距离，从而得到该被测物体的移动速度。同时它也是一种新型的测速测量技术。

由于是激光测量，对于流场没有干扰，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是线性关系，和该点的温度，压力没有关系，是目前世界上速度测量精度最高的仪器。

4 压敏涂层测压（PSP）

压敏涂层测压技术是新近发展的一种压力测量技术，它利用光学特性测量物体表面的压力分布，即将一种特殊的压力敏感涂料覆盖在流道表面上，利用一定波长的光照射后，涂料能够发射荧光，通过测定发射光强度场，来计算相应的压力分布。压敏涂层测压技术最大的特点是可以测量连续变化的压力场，获取大量的流场信息。