【流体力学微教材】流动显示和定量测量联合技术

波的多普勒效应是指因波源与观察者之间的相对运动而出现的观测频率与波源频率不同的现象，这是由澳大利亚物理学家J. Doppler1842年发现的（ChristianDoppler,1803～1853年）。其著名的例子是：当一列鸣笛的火车经过观察者时，他会发现火车由远方靠近的时候，听到的汽笛声调是由低变高；同样火车由近驶向远去的时候，听到的声调会由高变低，这种现象称为多普勒效应。原因是由声波振动频率不同而决定的，如果频率高，声调听起来就高；如果频率低，声调听起来就低。由此可见，以恒速运动的火车，汽笛发出的声波波长在传播时是变化的。其结果是对于由远方来的火车，声波的波长变短，如同波被压缩了。相反，当火车驶向远方时，声波的波长变大，好象波被拉伸了。相对于运动物体的声波，观测者接收到波的频率是

其中，f0为波源的固有频率，a为静止空气的声波速度，U0为观测者相对于空气的速度，V0为波源相对于空气的速度。当观察者朝波源运动时，U0前面取正号；当观察者背离波源（即顺着波源）运动时，U0前面取负号。当波源朝观察者运动时V0前面取负号；当波源背离观察者运动时V0前面取正号。从上式可知，当观察者与声源相互靠近时，f＞f0；当观察者与声源相互远离时,f＜f0。

澳大利亚物理学家多普勒

（Christian Doppler,1803～1853年）

多普勒效应

激光测速的光谱技术是依赖于被测流场介质组分的吸收谱线频率或荧光发射或散射光谱中的Doppler频移，由于这种方法是直接从分子运动中获取速度，从而避免了由于投放粒子带来的弊病，不仅测速真实，精度较高，而且适用于高速流动的测量。基于多种光学测速技术，发展了诸如激光诱导Doppler综合测速(DGV)、滤波瑞利散射法(FRS)、相干喇曼光谱法〔包括相干反斯托克喇曼光谱法(CARS)、反喇曼光谱法(IRS)和受激喇曼收益光谱法(SRGS)等。

激光测速技术

粒子成像测速技术是在计算机技术和图形处理技术下发展而成的，是一种光学流体测量技术。从上上世纪五十年代起，开始使用激光测速技术，并在此基础上逐渐形成的。该项技术的最大优点是突破了激光多普勒测速仪等空间单点测量技术的局限性，既具备了单点测量技术的精度和分辨率，又能获得平面或空间流场显示的整体结构和瞬态图像，可在同一时刻记录下整个流场的有关信息，并且可分别给出平均速度、脉动速度等，是一种非接触式的测量方法。其基本原理是：实验时在流场中播人粒子，用脉冲激光器发出的激光束经过一系列光学元件形成可调制的激光照射流场，用多次曝光记录粒子场在不同时刻的图像，测出在△t时间间隔每个粒子的位移△L，即可算出粒子的速度，在粒子的跟随性满足要求的条件下，粒子的运动速度可以代表流体的运动速度。

粒子成像测速技术

激光诱导荧光流动显示与测量技术，是二十世纪八十年代发展起来的一种光致发光流动显示与测量技术，能够实现定性显示流动结构和定量测量流动参数的目的。光致发光流动显示与测量技术是把某些物质(如碘、钠或荧光染料等)溶解或混合于流体中，这些物质的分子在特定波长的光线照射下吸收光子而受激发光。实验时用脉冲激光片光照射，利用激发出的光不仅能显示流动结构，又可利用吸收和发射谱线的Doppler频移效应测量速度。其光强又是受激区气流密度和温度的函数，故可在显示流动结构的同时，测量流场的密度、温度、速度、压力和浓度等参数。该方法是非接触式瞬态流场测量技术，比较适应于高速流动和大速度梯度流动。在这种情况下，由于粒子不能完全跟随流体一起运动，因而基于粒子散射的Doppler测速法不再适用，而基于分子发光的LIF技术则无此限制，因为LIF不存在粒子跟随性问题。

激光诱导荧光流动显示与测量技术力学学报编委。

光层析技术是 1967年出现的，开始用于医疗诊断和材料的无损探伤。CT是二十世纪八十年代中期开始用于流动显示。它是一种先进的计算机辅助流动显示与测量技术。层析技术由多方位对流场进行观测所得到的“投影”重建三维图像，适应于三维流场的结构测量与分析。光学层析是流动显示中最常用的，如阴影、纹影、干涉法等都可以用来得到多方位的“投影”，但干涉仪与计算机层析技术结合得到定量化的三维流场显示更为重要。利用常规的干涉仪层析技术可以得到三维密度场和浓度场，利用全息干涉层析技术还可以得到三维温度场。不同断面的图像可以在不同瞬时得到，也可以在同一瞬时用多方位的干涉照相得到。前者只能用于定常流，后者亦可用于非定常流。

光学层析技术（血管流，引自http://www.ylqxs.com/）

光学表面测压的基本原理是，将一种压力敏感涂料涂（PSP，Pressure Sensitive Paint）于模型表面，在紫外线光或其它给定波长光的照射下，涂层发出可见波长的荧光，其亮度与作用在涂层表面空气或任何含氧气体的绝对压力成反比，用CCD摄像机记录模型表面的图像，并通过计算机处理，可以给出模型表面的压力分布。光学表面压力测量要求光源有足够的亮度和照射的均匀度，模型表面涂层的亮度用绝对压力进行标定并存储在计算机中，在风洞“不吹风”和“吹风”两种状态对每一个模型姿态记录表面的图像，通过计算机与标定压力数据比较获得模型表面的压力分布。

F4表面压力（压力敏感涂料PSP）风洞试验（引自DLR）