圆管湍流的实验研究：（2）定量流动显示

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1、圆管湍流的实验研究：（2）定量流动显示冯宾春（中国水利水电科学研究院水力学所，北京100044）摘要本文对充分发展圆管湍流的近壁拟序结构进行了定量的流动显示统计研究，实验雷诺数为（为圆管湍流的平均速度，D为圆管直径）。实验研究了流动显示结构内的速度分布，并对结构内的脉动速度进行了统计分析，结果表明流动显示所能观察到的结构是上抛占主导地位的结构。另外通过研究结构内的瞬时脉动速度分布证实，除了在流动显示的卷起部分存在湍涡外，在卷起的下方也存在湍涡。关键词：流动显示，粒子，DPIV技术，圆管湍流1引言7自从人们认识到湍流并不是完全随机的运动以来

2、，研究人员利用流动显示技术从多方面研究了湍流的运动形式，发现存在各种拟序结构。但是，传统的流动显示主要通过观察分析示踪剂所显示出来的流动图像，缺乏对结构内的定量分析。80年代，随着PIV技术的出现和发展，人们可以同时定量测量整个流场中多点的速度分布，使得流体实验能够整体上定量研究湍流的流场特性。同时，可以利用PIV测量中示踪粒子图像显示流动结构和诊断分析结构内的速度分布，这样可在显示结构的同时获得定量的统计结果。本文利用DPIV技术[1-3]测量了圆管湍流中拟序结构内部的速度分布及其统计特性，它与常规的DPIV测量不同的是，粒子投放处距测

3、试区域较近（类似使用染色液的流动显示），示踪粒子在圆管壁面附近流体带动下进入流场，以此显示流场结构。实验发现，在粒子显示出来的流动区内中喷发过程明显占优。1实验条件本文采用DPIV技术测量充分发展的圆管湍流，先将实验图像通过CCD转换后存放在录像带上，然后再通过图像采集卡将图像采集到计算机里，最后诊断处理得到瞬时速度场。整个实验设备和文献[4]基本一致，唯一的不同在于本实验中粒子和染色液的注入位置位于实验段的前端，而文献[4]中位于实验段上游6米的圆管入口处。实验段前端由内外两层组成，两层之间是厚度为1mm、宽度为20mm的空腔，该空腔的

4、上游端有6个均匀分布的小孔和外面的导管相连，下游端通过一个与圆管内壁成10度夹角、宽度为1mm的环形窄缝和圆管相连。粒子先经过小孔进入空腔，在该空腔内均匀混合后经过环形窄缝进入圆管。实验观测发现进入圆管的起始阶段粒子和染色液在壁面区域紧贴圆管壁面，说明环形窄缝的存在对流场结构的显示没有影响。2处理方法2.1图像的处理在实验测量之前，我们首先检验了粒子的跟随性，在染色液中均匀混入直径约为1µm的粒子，然后和染色液一起注入圆管。从采集到的图像（图1）可以看出粒子图像所显示的结构和染色液（照亮区域）所显示的结构完全一致，这说明采用该粒子完全能够

5、满足跟随性要求。图1粒子和染色液共同显示的结构本实验的目的是通过示踪粒子来显示圆管湍流中的拟序结构，由此得到关于结构的某些定量信息。但在实验中发现除了在显示出来的结构部分存在大量的粒子图像外，结构外的个别区域也存在零星的粒子图像，因此在采用DPIV技术处理粒子图像之前必须从采集的图像中提取出粒子所代表的结构，并且消除那些零碎粒子图像对结构研究的影响。为此本文构造了针对本实验的图像结构提取方法，主要步骤如下：1.选取一阈值，将原始粒子图像二进制化，灰度值大于阈值的像素置为1，其他区域置为0。2.将值为1的区域向外扩张，每次沿区域边界法向向外

6、扩张一个像素单位。经过几次扩张之后，整个结构就连成一片。3.从结构边界向内收缩，每次沿边界法向向内收缩一个像素单位。经过几次收缩后，一些零星粒子所形成的区域完全消失。71.通过选取面积阈值将图中一些零乱的虚假结构去掉。2.将所得到的二进制图像和原始图像相乘得到所要计算的图像。图2给出了采用这一算法得到的结果，图2（a）是原始图像，在图像的右下角有离散的粒子图像，经过该算法提取后这部分粒子图像消失，最后得到的粒子图像如图2（b）所示。在经过图形处理之后，我们采用自相关的DPIV方法处理粒子图像，诊断处理方法和文献[4]完全相同。（a）提取前

7、的粒子图像（b）提取后的粒子图像图2粒子结构图像的提取1.1实验数据的统计处理在采用DPIV技术得到结构内的速度分布之后，我们对显示出来的流场部分进行统计分析，所有统计量都采用壁面摩擦速度进行无量纲化，本实验壁面摩擦速度。整个统计过程共处理2300幅粒子图像，共计46秒。在计算统计量时采用在时间和流向同时平均，相应的局部平均速度计算公式为（1）这里和分别为在测试区域内流向位置上的速度矢量数和统计处理的粒子图像数目，为流场瞬时速度。局部区域（以下简称局部）内的脉动速度为当地瞬时速度和全场平均速度（这里的平均速度来自文献[4]）之差，这样可以

8、利用下列公式计算结构区域内流向和径向脉动强度及雷诺应力。（2）（3）（4）2结果分析2.1瞬时结构显示图3首先给出了采用DPIV技术诊断得到的结构内瞬时脉动速度结果，图（a）为粒子显示出来的结