非结构化四面体网格生成方法及改进

对生成三维非结构化网格的D e launay方法进行了分析,给出四面体网格生成的基本步骤.改进判断非结构化网格质量的方法,提出采用四面体单元无量纲棱长的标准差对网格质量进行评价.对于已经生成的初始化网格,在棱长标准差最大的四面体单元内加入新点重新构造网格,反复进行迭代直到所有的标准差小于设定值.该方法比较灵活且易于实现.通过不同的算例对网格生成及改进方法进行了验证,获得了理想的结果.     

显微散焦粒子识别与追踪测速

根据三孔挡板散焦成像的原理,使用高速散焦显微粒子测速装置开展三维显微粒子追踪测速研究。在粒子散焦像识别的过程中利用了其对应三角模型相似的特点,通过散焦像斑灰度呈二维高斯分布特征计算其质心。在粒子三维位置测量算法分析的过程中选择了多达29颗的样品粒子,对29组不同深度的数据采用线性拟合的方式进行粒子深度方向的标定,并用二元多项式对870组数据拟合获得了关于粒子平面位置漂移的补偿函数。针对长直微通道内雷诺数Re分别为0.05和0.1的流场进行了验证性测量,采用20′0.4显微物镜,使用高速CMOS相机对直径为2mm的粒子进行追踪。结果显示,计算出的示踪粒子速度分布与数值仿真曲线吻合良好。     

圆柱绕流的流场特性及涡脱落规律研究

采用粒子图像测速技术对630、800及950三种雷诺数条件下的圆柱绕流场进行了实验,给出了圆柱下游沿流动方向4倍圆柱直径和垂直方向3倍圆柱直径区域内的速度场、涡量场以及涡脱落现象的时空演化规律.结果表明:圆柱尾流区域位于垂直方向约1.5~2.5倍圆柱直径范围内,随着雷诺数增大,这一范围呈现缩小趋势,而主流对涡的拉伸和输运能力有所增强;涡脱落频率随雷诺数增大而增大,小雷诺数时能够较为完整地捕捉到涡生成、脱落、发展和耗散过程,由于PIV采集频率的限制,大雷诺数条件下涡脱落整个过程不易被完整捕捉到.     

不同温度亚微米粒子扩散运动的实验研究

利用Micro-PIV/PTV技术对不同温度下的方形槽内520 nm粒子的扩散运动进行了实验研究.采用PIV/PTV混合算法,计算得到了时间间隔为30 ms的相邻帧图像中示踪粒子的位移,由此计算出示踪粒子位移平方的对数分布与空间均方位移.结果表明,相同温度不同时刻粒子位移分布基本一致,粒子位移平方的对数分布于-17～-11之间,呈现类正态分布特征.粒子的空间均方位移值随着温度的升高而线性增大,表明粒子的扩散能力随温度的升高逐渐增强.     

微通道水流量的显微可视化测量

采用显微粒子图像测速技术(Micro-PIV)获取全场速度分布的基础上测量了水力直径为0.4 mm的长直微通道内的水流量.实验采用532 nm波长的双脉冲激光对粒径为3μm的荧光粒子进行照明,通过在电荷耦合器件(CCD)相机前加装10倍显微物镜,获取具有较高空间分辨率的粒子运动图像.利用位移求解算法得到雷诺数分别为100和200时的通道中位面的速度场分布.结果表明,除近壁区外,通道内中位面速度分布与方形截面理论速度廓线一致.由此利用方形通道的层流解析表达式获得不同位置处的截面流量的离散分布值,对其求算数平均获得通道水流量.     

不同粒径微米/亚微米颗粒布朗运动的实验研究

利用显微粒子追踪测速系统(Micro-PTV)对四种不同粒径(2μm、1μm、0.71μm、0.52μm)的颗粒在纯水中的布朗运动进行了实验研究.使用波长为532nm的连续激光器、电子倍增CCD(EMCCD)相机以及放大倍率为63倍的显微物镜得到颗粒图像.对原始图像进行处理,借助于Video Spot Tracker软件获得相邻两帧图像中示踪颗粒的单步位移,在此基础上计算颗粒在纯水中的实验扩散系数,分别为0.191μm2/s,0.391μm2/s,0.579μm2/s及0.746μm2/s.将计算结果与采用Stokes-Einstein公式计算的无限大空间单个颗粒理论扩散系数进行了比对,偏差在10%以内,实验值略小.实验结果能够正确反映微米(μm)/亚微米颗粒布朗运动的特征.     

立体显微图像的三维微尺度测量方法研究

针对微小复杂产品表面形貌、几何特征、关键点等综合测量的要求,提出了基于立体显微图像的三维微尺度测量方法.利用立体显微镜及两台数字相机获得被测对象两个不同观测角度的显微图像,通过图像处理技术和几何原理计算得到被测对象的空间三维信息,最终实现三维微尺度测量.为了验证所提出方法的有效性,以具有一定倾角的显微标定板为测量对象,在图像采集、滤波、二值化、边缘检测以及形心计算的基础上进行显微系统的标定,分别对左右各10个相同角度进行了实测.结果是相对误差均在3%以内,说明该测量方法可以获得较高的测量精度.     

基于MATLAB的滴灌毛管计算机分析

利用MATLAB数值计算软件对毛管各管段建立的一组非线性方程组进行了求解．并采用MATLAB语言集成开发环境编制了毛管水力分析程序，通过建立的人机交互界面实现了参数的设定与数据的分析．结果表明，随坡度值增大，灌水均匀度先增后减；提高毛管进口水头，灌水均匀度增加；随流态指数的增大，灌水均匀度递减速度加快；滴头间距越长，灌水均匀度越差．     

微柱群多孔介质内部流场的实验研究

用PDMS加工了5个宽2mm、深100μm、长4cm的微通道,其内部充满方形排列的微柱群形成多孔介质模型,采用微流体粒子图像测速仪(Micro-PIV)获得该多孔介质内速度场的分布,在此基础上计算了剪切应力,得到剪切应力场分布及其均方根.实验结果表明,速度分布具有较好的对称性,符合低雷诺数条件下的流动规律.速度值沿展向呈现类谐波的周期性变化规律,不同流向位置的速度幅值不同.靠近圆柱壁面的对称位置存在两条流线,其上流速保持不变.由剪切应力分布可看到近壁区存在较大速度梯度,剪切强度与雷诺数成正比,与孔隙率的三次方呈近似反比关系.     

基于三维速度场构建的微流量测量方法研究

采用微流体粒子图像测速仪(microscale particle image velocimetry,micro-PIV)对200μm宽、60μm深的长直通道三维速度场进行了非接触定量可视化测量,并在此基础上计算了通道内的微流量。实验采用二维分层速度场测量方法,将通道沿物镜景深方向划分为11个流体层,通过高精度的位移平台实现流体跨层粒子图像采集。分别针对64×64像素和32×32像素2种判读域,采用micro-PIV系综相关算法对流体层二维速度场进行分析,获得三维全场速度分布,在此基础上利用截面速度离散积分原理计算出截面微流量。实验结果表明,基于微流体粒子图像测速仪的三维速度场分析能够实现对微通道流量的精确测量。对于64×64像素判读域,输入流量在2.481～5.788μL/min范围的测量结果精度较高,最大相对误差为3.87%;对于32×32像素判读域,输入流量在3.307～8.269μL/min范围内均有较高测量精度,最大相对误差为3.69%,表明采用32×32像素判读域的流量测量精度总体上优于64×64像素判读域。