粒子网速测定

第卷第期年月工程热物理学报粒子图象测速技术在内燃机缸内流场研究中的应用杨延相王天友刘宁林荣文天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室天津摘要本文应用粒子图象测速技术对内燃机压缩过程中的缸内流场进行了实验研究开发的实验装置可真实模拟内燃机的进气、压缩和膨胀行程,并且适于开设大窗口以测取大区域的全场速度分布.
开发建立的拍摄及数据处理系统实现了对瞬态全场流动参数的较精确的测量处理,可直观地给出流场中的涡流特征.
文中有部分结果实例.
关键词内燃机,流场测试,流速分布,湍流、己性兰产上「〕内燃机燃烧过程的不断优化一直是科研及工程技术人员的重要任务之一.
随着环境及能源问题的日益突出,有关燃烧过程的基础研究也就越来越受到重视.
近年来,由于计算机技术及激光应用技术的快速发展,一个能准确定量测取瞬态流场中大区域内的流速分布的新技术一粒子图象测速技术已趋向于成熟化,并且已被开始用来研究各种实际流场.
本文将应用于内燃机缸内流场的研究,试图从瞬态全场流动参数的特征上寻求内燃机缸内流动现象的规律,以弥补以往用单点测量技术来研究流动现象的不足.
技术基本原理技术是一种流场显示技术,其基本原理非常简单明了,即用照相的方法将代表流场的示踪粒子的像记录在底片或录像带上,通过测量已知时间间隔老之间或前后两个瞬间的示踪粒子的像的轨迹或位移量来求得流场的速度二叮.
一般'相对于流场的变化时间很小,所以求得的速度可看作为瞬态速度,是已知的,所以数据处理的关键是求取记录像场上的各个示踪粒子的位移.
实验装置系统拍摄实验系统系统主要包括发动机、倒拖电机、片光光路、激光器、记录仪、时序控制器、粒子添加装置、角标传感器和照相机等.
将一台卧式柴油机改造成为可模拟内燃机进气、压缩和膨胀过程的装置,新设计的气缸盖如图所示,在其上设置两个透明窗口,燃烧室侧面窗口用于引进片状激光脉冲,顶部大窗口用于拍摄片状光照射的缸内横截面内的本项研究得到了国家教委"资助归国博士基金"和"优秀年轻教师基金"的支持本文曾于年月在武汉召开的中国工程热物理学会燃烧学学术会议上宣读.
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cn期杨延相等粒子图象测速技术在内燃机缸内流场研究中的应用示踪粒子场的照片.
为了使可视截面尽可能的大,顶部除了窗口及其固定机构外,再无其他零件,这样进排气系统就要作相应的变更设计.
经过多种方案探讨,最后将气阀侧向设置于燃烧室气缸壁上并用一个气阀来实现进气和排气.
该阀由一电磁铁控制其关闭.
实验过程中,首先使气阀一直处于开启状态,当活塞运动时,启动控制器,电磁铁将使气阀在规定的曲轴转角处突然关闭,从而完成进气过程而开始压缩过程.
巨盔口照相窗口进气人口装气阀孔图实验用气缸盖控制器除给出气阀控制信号外,还给出一激光器触发信号以触发激光器输出数个激光脉冲.
这些激光脉冲将使气缸流场的瞬态信息记录在相机的胶片上.
实验所用活塞为平顶活塞.
压缩比约为.
片状光入射位置距顶部窗口即燃烧室顶部的距离为,示踪粒子为微米级的钦白粉.
激光器为红宝石多脉冲激光器,可产生个脉冲,实验中用三个脉冲,脉冲间隔为拼.
每个脉冲的持续时间约,光能量大于.
通过一包含注面透镜的光路系统把激光变成约为宽、厚的片状光入射进气缸内.
图象数据处理系统有了照片,必须通过求取其上的粒子像对的位移矢量才能最后获得速度.
由于照片上记录的是大量随机分布的粒子对,所以要准确高效地求得足够多个点的速度值是一项困难很大的工作.
本项研究从实用的角度出发,开发制作了一套直接求取位移的系统,如图所示.
该系统由微机、图像采集处理装置、处理软件组成.
通过一坐标平台和显微摄像机可将照片逐区域扫描输入图像处理系统,一个小区域的图像将显示于监视器上,通过光标操作找出明确的粒子像对,就将位移输入到了数据文件中.
对粒子像对的判断需要人工进行,当照片质量粒子浓度、对比度等较好时,粒子像对的判断还是比较容易的.
用该系统处理一张的胶片,若小区域取为,即最大求得个网格小区的速度,那么大约需要、个小时.
显微摄像机、一坐标平台等硬件及一套十十十瘾馨显微镜一玉坐标架光源数据处理系统工程热物理学报卷实验结果及其分析图即为测得的二维速度分布.
实验条件为拍摄时刻上止点前度,转速.
由于求得的原始速度中存在随机误差,并且个别网格区域中没有有效数据但总数,图中已对原始速度场进行了光顺和插值处理,光滑插值公式为、式,二二,是一高斯卷积核滤波处理.
计算时,当点.
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的速度不存在时,式中的二,将取为.
兀云,一艺艺.
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二'一、,一"一儿一兀、了、尹、了产'、子、了、兀石',一艺艺.
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,叫"乙一一兀从速度矢量图上可以看出速度的大小和方向在有些区域变化较快,但这些变化是叠加在整体大涡流运动速度之上的.
所以难以得到明确的结果.
为了将不同涡流"尺度"大小的流场抽取出来,我们再次用公式、对速度场进行了滤波处理,但这次取,.
这样低通滤波后的结果如图所示.
厂二而兀开了厂二不不石不乃拱、、、'声,、内一琳撇业工气帖屯幼户确八再、户户小、、、、、、、,、'·、·、、、'、产、、、、、、、、、·、飞户产八、户、八、产六子,、、川川川川钧一气一一等葺…一一'气缸中心在原点一一一、一气缸中心在原点图实测的二维流速场图经空间低通滤波后的二维流速场从付里叶分析理论可知,公式、的高斯核卷积完全等价于在速度场频率域中的高斯函数滤波,其截止频率相当于,了班功【这里二,.
所以图相当于滤掉了汀,时一的场,而图相当于滤掉了,了功一的速度场,即图给出的是一个空间变化缓慢的"平均"流场,其空间变化周期一.
将图从图中减去,就可以得到相对比较高频的速度场,即高通滤波速度矢量场,如图所示从图中可以明显看到许多比较小的涡流的存在,另外也存在一些"源"和"汇"点.
尽管该矢量图中包含了空间周期从、的所有流速变化成分,但其中似乎存在一占主导地位的空间周期的涡流期杨延相等粒子图象测速技术在内燃机缸内流场研究中的应用一一一一'门山曰"一'''''司一一一一一一气缸中心在原点图经空间高通滤波处理后的二维流速场利用流体力学中涡量的定义,我们可以算出垂直于二一夕平面的涡量分量几·',卜豁一爵、,,一一一一一厂一,,·',图即为以图中的高频速度场为原始数据计算的涡量场分布图楚地看出占主导地位的涡流尺度,该尺度涡流的空间周期约为.
从该图中能更清涡涡撇分盘《,》》特特自自一一一一杨杨一·阴阴·一·,一一一砚砚一,,,,一一,.
二.
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八'月心且川洲,目女一一一一一一一一一图气缸轴线方向涡量分量的场分布工程热物理学报卷上述结果说明了用技术能求得流场某一瞬间的流速分布及某些场结构,但这些在空间变化的参数与紊流参数如紊流强度、紊流积分尺度等又有什么关系呢以往研究紊流场都是用单点流速随时间测量结果,所以所有的紊流参数的定义都是以时间平均为基础的.
其实,雷诺最早发现紊流现象并不是通过单点流速随时间变化的结果,而是通过流场的全场显示流速瞬态空间分布与紊流的关系,正是我们要进一步研究的内容.
结论技术能够测取大区域二维流场流速的瞬态分布,运用数学处理可以将各种空间频率的流场成分提取出来,能得到直观的涡场分布,但这些结果与紊流参数的关系有待进一步研究探讨,还需大量的实验结果和理论创新.
参考文献【一,,,【』,'一一肠,,一同杨延相,叶志生激光近前向散射粒子图象测速技术及其在射流研究中的应用中国激光,,一五入一丫丑,丑,,一一一,,,,