微通道內(nèi)柱體繞流流場的可視化研究.pdf

1、顯微粒子圖像測速技術(shù)是在傳統(tǒng)PIV技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的對微尺度流動的全場測量的技術(shù),它突破了單點(diǎn)測量的限制,實(shí)現(xiàn)了非接觸、高精度的微流體瞬態(tài)速度場測量。本文對該技術(shù)進(jìn)行了發(fā)展,并針對微通道內(nèi)微柱體繞流過程進(jìn)行了定量可視化實(shí)驗(yàn)研究。
　　首先,開展了基于低密度粒子圖像的微流體粒子圖像測速技術(shù)的研究,包括背景噪聲去除、閾值過濾、圖像增強(qiáng)等圖像預(yù)處理,能夠獲得高質(zhì)量的低密度熒光示蹤粒子圖像。在此基礎(chǔ)上對粒子圖像進(jìn)行疊加處理,得到較高密

2、度的粒子圖像以滿足互相關(guān)算法。利用低密度粒子疊加方法對長直微通道內(nèi)不同流層平面的二維速度場進(jìn)行了測量,將測量結(jié)果疊放到一起實(shí)現(xiàn)了全場三維二分量(3D2C)速度場測量。結(jié)果表明:通過圖像疊加法得到的速度場分布是符合流動規(guī)律,所構(gòu)建的三維流場能準(zhǔn)確的反映內(nèi)流流場特征。
　　然后,將低密度粒子圖像疊加法應(yīng)用于微通道內(nèi)三種圓柱陣列繞流流場的測量,獲得了柱群繞流流場的3D2C速度場。速度場呈現(xiàn)對稱繞流結(jié)構(gòu),符合預(yù)期的微柱群繞流流場特征。將該

3、速度場與基于高濃度粒子圖像平均相關(guān)技術(shù)測量的速度場進(jìn)行了比較,結(jié)果表明:不同輸入流量下,兩者截面實(shí)測流量趨于一致;由于低密度疊加方法能夠有效地去除背景噪聲,所獲壁面附近的速度明顯小于高濃度測量結(jié)果,較好地滿足了無滑移條件。由此可見,低粒子濃度疊加方法能夠有效提高M(jìn)icro-PIV速度場的測量精度。
　　本文最后對較高雷諾數(shù)下的短粗圓柱繞流過程進(jìn)行了可視化測量,分別對單圓柱、順排雙圓柱以及并排雙圓柱尾跡的變化情況進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)中雷

4、諾數(shù)取為60-500之間。對于單圓柱,當(dāng)雷諾數(shù)小于100時,繞流流場呈現(xiàn)出對稱分布狀態(tài)。當(dāng)雷諾數(shù)高于100時,尾流出現(xiàn)兩個對稱的渦結(jié)構(gòu),隨著雷諾數(shù)增大,沿流動方向渦的尺度逐漸被拉長,雖未見明顯的渦脫落現(xiàn)象,但尾跡呈現(xiàn)出非定常流動的特征;對于順排雙圓柱,當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到180的時候,圓柱之間出現(xiàn)了對稱渦結(jié)構(gòu),雷諾數(shù)達(dá)到260尾流出現(xiàn)非對稱渦結(jié)構(gòu);對于并排雙圓柱,當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到140時,雙圓柱外側(cè)出現(xiàn)一對駐渦結(jié)構(gòu),而在180時,圓柱內(nèi)側(cè)也出現(xiàn)明顯