功能作用介紹：
自循環(huán)式方腔流動測量系統(tǒng)由兩部分組成，分別為自循環(huán)式方腔水流系統(tǒng)及PIV(Particle Image Velocimetry粒子圖像測速)測量系統(tǒng)，如圖1。方腔水流系統(tǒng)由大水箱、柵格、水管、水泵、流量開關(guān)、過渡段及方腔組成，見圖1(a)。大水箱的作用類似小型水庫，用以提供充足的水源，其較大的表面積能保證系統(tǒng)內(nèi)水位的穩(wěn)定性。水流的動力系統(tǒng)采用LRS 25-6型屏蔽式增壓泵，其最大流量為3 m3/h，對應(yīng)的雷諾數(shù)(以進(jìn)口處水力半徑及平均流速衡量)可達(dá)5000;為精細(xì)調(diào)整系統(tǒng)的流量，添加流量開關(guān)，實驗時可充分模擬水流從層流至紊流的變化過程。為保證水管的圓形斷面(d=2.5cm)平穩(wěn)過渡至方腔入口的矩形斷面(4×2cm2)，采用長為25cm的過渡段連接水管及方腔。本系統(tǒng)的方腔尺寸為8×4×6 cm3，由已有文獻(xiàn)可知，此方腔屬于三維敞開式淺腔，即剪切層在方腔入口的臺階處分離，在未沖撞下游邊壁前接觸凹腔底面，并沿展向(z)具有一定的擺動。方腔的背面為不銹鋼，上下和前面為玻璃，以便于激光從方腔底面往上垂直照射，高速攝像機透過方腔前面拍攝激光照亮區(qū)域獲取實驗圖片。出水口處設(shè)有柵格，用以整流及消除大尺度結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步防止水面出現(xiàn)較大的波動。
方腔中垂面的二維瞬時流速場測量采用自主開發(fā)的二維高頻PIV系統(tǒng)，由高速攝像機、連續(xù)激光器、示蹤粒子和PIV計算軟件組成，見圖1(b)。PIV技術(shù)可以無干擾地測量平面內(nèi)各點的二維流速矢量，是目前實驗流體力學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的流速測量技術(shù)。高速攝像機的CCD的分辨率為640×480像素，采樣頻率最高可達(dá)245Hz;為兼顧進(jìn)光量和圖像變形兩方面的要求，為高速相機配備了佳能EF 85mm f/1.2L USM鏡頭。采用功率為2W的Nd-YAG型連續(xù)激光器，波長532nm。示蹤粒子為HGS-10型空心玻璃微珠，粒徑為10μm。采用自主編寫的PIV軟件計算流場，算法為多級網(wǎng)格迭代的圖像變形算法，通過不斷減小診斷窗口的尺寸，并同時利用流場信息對診斷窗口進(jìn)行變形來提高計算的精度。
本系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于：(1)可以精細(xì)調(diào)節(jié)形成任何雷諾數(shù)小于5000的流動，范圍可覆蓋層流至充分發(fā)展的紊流;(2)結(jié)合最新的PIV技術(shù)，可高分辨率地測量整個面內(nèi)的二維流速矢量，為后續(xù)各種參數(shù)及渦旋的計算提供基礎(chǔ);(3)方腔的邊界條件雖然簡單，卻包含極其豐富的物理現(xiàn)象;(4)在水流中加入適量的泥沙，還能形成復(fù)雜的水沙兩相流，可利用PIV/PTV進(jìn)行耦合計算。
清水實驗步驟為：(1)先在水箱中注入一定的水量，打開水泵使系統(tǒng)中形成某一較小的流量;(2)按照預(yù)設(shè)的雷諾數(shù)，調(diào)節(jié)水泵的功率及流量開關(guān)，使實驗雷諾數(shù)接近預(yù)設(shè)值;(3)向水流中加入適宜濃度的示蹤粒子，等待15～20分鐘至水流系統(tǒng)充分穩(wěn)定;(4)調(diào)節(jié)激光使其照亮測量區(qū)域，示蹤粒子在激光的照射下發(fā)生散射，形成較好的可視化圖形;(5)調(diào)整鏡頭與激光片光間的距離、鏡頭與相機間的距離改變圖像分辨率，調(diào)節(jié)相機至清晰成像，利用相機的高頻采樣能力拍攝并存儲實驗圖片序列。
當(dāng)獲得清水實驗圖片后，利用PIV軟件計算可獲得測量平面內(nèi)的二維速度點陣，其后可進(jìn)行各種參數(shù)的時均統(tǒng)計(時均流速、紊動強度、雷諾應(yīng)力、偏差系數(shù)，峰凸系數(shù)、渦量、耗散率等)、譜分析(傅里葉、小波、S變換、本征正交分解)及渦旋的提取(密度、半徑、環(huán)量)。綜合分析各種參數(shù)間的相關(guān)性，建立方腔流動模型，加深對方腔流動物理現(xiàn)象及其機理的理解，如圖2。
水沙兩相流的實驗步驟與清水一致，當(dāng)水流穩(wěn)定開始正式試驗時，在進(jìn)口加入少量泥沙顆粒。水沙兩相流圖片獲得后，用兩相分離方法將原始圖片分離成僅含液相的示蹤粒子圖片(用PIV計算)和僅含固相的沙粒圖片(用PTV計算)。用PIV/PTV耦合計算獲得兩相的速度后，即可分析兩相間的差異(如各種時均統(tǒng)計參數(shù))，固相的空間分布與液相流場的關(guān)系;對比清水實驗，還可以獲得固相對液相的影響。
作品名稱：自循環(huán)式方腔流動測量系統(tǒng)
完成單位：清華大學(xué)水利水電工程系
