【流体力学微教材】流动显示及其应用
风流知音【流体力学微教材】流动显示及其应用 CFDBJ(2017)0002 作者：刘沛清
流动显示及其应用
刘沛清
北京航空航天大学航空学院
流体实验总体上包括流动显示和流动测量。流动显示实验主要任务是使流体流动过程可视化，而流动测量主要是获取流体流动过程定量化信息，它们相辅相成，是实验流体力学的组成部分。通过各种流动显示与测量实验，可以使人们了解复杂流动现象，探索物理机制和运动规律，为建立新概念和数学模型提供科学依据。正如世界著名体力学大师德国科学家普朗特（Ludwig Prandtl，1875～1953年）所说的那样，“我只是在相信自己对物理本质已经有深入了解以后，才想到数学方程。方程的用处是说出量的大小，这是直观得不到的，同时它也证明结论是否正确。”流动显示与测量技术本身也是解决实际工程问题的主要手段。可以说，在流体力学发展过程中每一次理论上的突破及其工程中应用，几乎都是从对流动现象的观察开始。如1880年的雷诺转捩实验，1888年的马赫激波现象试验，1904年普朗特提出边界层的概念，1912年冯卡门对圆柱体绕流涡街分析等，无一不是以流动显示和测量的结果为基础。而对流动现象的深入分析又是建立和验证新概念、发现新规律的关键。
德国力学家、世界流体力学大师路德维希.普朗特
（Ludwig Prandtl，1875～1953年）
英国物理学家雷诺(Osborne Reynolds 1842年～1912年）
奥地利物理学家马赫（Mach，1836～1916年）
美籍科学家西奥多·冯·卡门（Von.Kármán，1881年～1963年）
应指出的是，近几十年来，由于工程实践的迫切需要以及近代光学、激光技术、计算机技术、电子技术、信息处理技术的快速发展，为流动显示与测量带来了生机和活力，特别是在显示空间流动和内部结构的能力以及流动信息定量提取和分析处理方面有了长足的进步，现可以同时获取三维、非定常复杂流动定量显示全息数据。至今出现的流动显示与测量方法繁多，通常把它们分成常规的和计算机辅助的两大类。前者称为传统方法，后者称为流动显示和测量与计算机图像处理相结合的方法。
常规流动显示方法
1、壁面显迹法
该方法是在物面上涂以薄层物质，当其与流体相互作用时，在物面上产生一定的可见流型，用以定性或定量显示物面流动特性，如层流、湍流和转捩位置，分离点和分离区等。表面油流和荧光油流是较常用的方法，借助于拓扑准则进行流谱识别;升华技术常用于确定附面层转披、分离流动、近壁面流动结构和壁面质量交换。热敏深层用于显示表面热交换。
（Ma=5的二维圆柱绕流物面油流谱，引自李素循著《激波与边界层主导的复杂流动》）
2. 丝线法
该方法是将细丝线、羊毛和尼龙丝等一端贴在物面上，另一端顺气流摆动，以显示物面的流态。可以显示层流、湍流和分离区的位置及涡核的位置等。做成丝网阵还可以显示空间流场。二十世纪八十年代初期，发展了一种荧光微丝法。荧光微丝是染有荧光物质和经过抗静电处理的尼龙单丝，直径只有0.01～ 0.04mm，将它贴在模型表面，在紫外线的照射下，可以清晰地显示模型表面流态。
用丝线法进行的汽车风洞试验
3.示踪法
把示踪物质直接注人流场作为对比介质，或利用化学反应在流体中产生示踪物质，或利用电控产生示踪物质，这些介质跟随流体一起运动，使流动变成可视。烟迹(含烟丝)法，染色线法，氢气泡法，氦气泡法，激光一荧光法，蒸汽屏法等等都属于示踪法。由于在流体中注入了粒子，存在粒子跟随性问题，用于定常流动显示效果较好，用于非定常流动显示误差较大。
烟线法的圆柱绕流（引自An Album of Fluid Motion）
4. 光学方法
传统光学流动显示方法主要指阴影法、纹影法(含彩色纹影)、干涉法等用于有密度变化的流场。利用光的折射效应或利用不同光线相对的相位移形成图像，显示如激波、旋涡、边界层转捩、激波边界层干扰等物理现象。干涉法也可以定量地给出其密度场的变化。光学方法对流场没有干扰，但有较大的局限性。如阴影、纹影、干涉仪所得的图像是光线穿过流场路径上折射积累的结果，虽然理论上可以从图像还原求出流场的密度分布，但分辨率不高，而且限于二维流场。基于干涉原理的一些方法能直接反映密度的变化，给出定量的结果，特别引起人们的重视，因此发展了多种型式的干涉术，如激光全息干涉，外差干涉，激光散斑干涉等。光学方法多用于高速流场测量中。
此外，流动显示与测量同时进行并借助计算机图像和数据处理技术已经成熟。在实验方面，以流动显示和图像设备为基础，通过计算机图像处理系统完成图像显示和数据处理，然后用彩色显示参数的变化，给出丰富的流场信息和高质量的图像。
飞机超声速飞行的纹影照片
刘沛清，男，1982年在华北水利水电大学获学士学位。1989年在河海大学获硕士学位，1995年在清华大学获博士学位。1997年至今，在北京航空航天大学流体所工作。2000年-至今，任教育部流体力学重点实验室责任教授，博士生指导教师。2003年至2012年，任航空科学与工程学院副院长。现任中国空气动力学学会理事，中国力学学会流动显示委员会副主任委员，全国流体力学委员会工业组长。长期从事飞行器空气动力学实验和数值模拟等研究工作。《空气动力学》国家级精品课程负责人，国家级航空航天实验教学示范中心主任，空气动力学学报编委。
