研制三维合成孔径PIV系统开展壁面湍流三维拉格朗日相干结构的实验研究

拉格朗日相干结构（LCS）的研究已经演化为流动系统研究中最令人振奋的途径之一，然而由于测量技术的制约，壁面湍流三维LCS的实验研究一直未能有效开展。本项目拟开发一种称为三维合成孔径粒子图像测速仪（SAPIV）的新型三维体视数字粒子图像测速系统，该系统以一个视场重叠的相机阵列对流场进行拍摄，利用数字图像重聚焦算法重建流动区域三维空间亮度场，通过三维互相关进行矢量评估，实现对三维流场的高时空分辨率的速度测量。将SAPIV用于壁面湍流实验，可以有效开展壁面湍流的三维拉格朗日相干结构实验研究：（1）通过三维LCS的提取，研究其空间拓扑结构以及时空发展演化规律；（2）将LCS与欧拉方法提取的涡结构进行对比分析，揭示LCS与近壁区的典型流动结构的相互关系，探讨提取湍流中相干结构的客观有效方法；（3）分析LCS在边界层湍流生成事件、能量传递、湍流自持中的地位和作用，为流动控制提供依据。

拉格朗日相干结构（LCS）的研究已经演化为流动系统研究中最令人振奋的途径之一，然而由于测量技术的制约，壁面湍流三维LCS的实验研究一直未能有效开展。为了有效开展展壁面湍流的三维拉格朗日相干结构实验研究，我们研发了综合SPIV、SAPIV、TomoPIV于一体的粒子图像测速系统，其中包含了相机标定、流动模拟等重要功能，长时间的应用表明，该系统性能先进、功能完整、运行稳定、操作简便、界面优美。提出了综合相机模型，该模型以针孔相机模型为基础，考虑了镜头失真、离轴成像、折射效应等因素，适用于最一般的应用场合，并且标定精度高于多项式模型和针孔模型。开发了TomoPIV系统，实现了MART、ART、SMART、SART重建算法。并研究了MART、ART算法在不同松弛因子下的迭代过程，发现MART算法的品质因子趋近于0.7，松弛因子应小于0.35，而ART算法品质因子趋近于0.62，松弛因子应小于0.18。完成了SAPIV系统开发，并采用8相机阵列构成的系统进行模拟实验，结果表明SAPIV可以实现三维流场的重建，8相机构成的系统无法达到TomoPIV系统的测量精度，为提高测量精度，需要增加相机数目。最后，利用综合粒子图像测速系统，研究了内燃机汽缸内的汽缸稳态流动，研究结果表明：随气门升程增加，流场对称趋势增强。滚流比随气门升程增加呈现非单调变化特点，在小气门升程下滚流运动方向与大气门升程下相反。滚流比在气门升程2.5mm时达到极大值，随后先降低后逐渐增加。