流場顯示就是把那些表征流場的不可見信息，通過特殊“顯示”技術變成可以直接觀察到的流場圖案，即流譜圖。流場顯示方法可分類為：壁面示蹤法、絲線法、直接注入示蹤法、化學示蹤法、電控法及光學示蹤法等幾大類。無論對恆定或非恆定流場的研究，流場顯示技術都具有在同一時刻描述全場流態的優勢。
基本介紹
- 中文名：流場顯示
- 外文名：Flow visualization
- 目的：顯示出那些表征流場的不可見信息
- 方法：壁面示蹤法、絲線法、電控法等
- 顯示設備：水介質設備、氣動設備
- 套用領域：航空、海洋、船舶、大氣、農業等
簡介,流場顯示方法,流場顯示設備,水介質設備,氣動設備,流場顯示技術,發展概況,類型,套用,
簡介
流場顯示是流體力學的一種重要的實驗研究手段。進行流體力學實驗研究時，總是希望把那些用肉眼著不著的現象變為可見的。流場顯示就是把那些表征流場的不可見信息，通過特殊“顯示”技術變成可以直接觀察到的流場圖案，即流譜圖。
無論對恆定或非恆定流場的研究，流場顯示技術都具有在同一時刻描述全場流態的優勢。採用流場顯示技術拍攝到的流譜圖像，含有豐富的有關流場的物理信息，它們對流體力學基本現象的發現和認識，對於理論研究數學模型的建立，對於生產實際中大量流體力學套用問題的解決，都有著巨大的作用；同時，流譜圖像也有助於人們建立對流場現象的感性認識。
隨著計算技術的發展和高分辨圖形顯示設備的出現，計算機圖形處理技術已愈來愈為人們所重視，並已在處理流譜圖形中開始得到廣泛的套用，導致流動顯示從定性研究進入到用計算機對流譜圖像作定量分析。最近，隨著CCD光電面層圖像感測器在流場顯示技術中的套用實現了流譜圖像的微機實時採集和處理，把流場顯示學的研究推向了更高的水平。
流場顯示方法
流場顯示涉及到流場顯示設備、流場顯示方法、流場顯示的記錄手段和流動顯示的圖像處理與數據分析等幾個方面。
顯示方法是多種多樣的，有些老的方法至今仍被廣泛地套用著，而新方法、新技術也層出不窮。目前，顯示方法累計已達幾十種，對眾多的顯示方法尚無統一的分類。參照日本淺沼強教授的分類方法，可將顯示方法分為以下幾類：
（1）壁面示蹤法；
（2）絲線法；
（3）直接注入示蹤法；
（4）化學示蹤法；
（5）電控法；
（6）光學示蹤法。
以上每一類又可分成若干種，如：直接注入示蹤法就包括了彩液法、煉乳法、氣體粒子法、氣泡法、固體粒子法等。由不同的顯示方法所得到的流譜照片、圖案也不盡相同，但對同一模型，採用不同的方法所顯示的結果的圖案規律還是一致的。由於顯示方法種類很多，且各有各的適用範圍，所以，對不同的流體介質、不同的實驗目的和內容，需選擇不同的設備和方法。
流場顯示設備
流場顯示設備種類繁多，有通用設備、也有專用設備，但大體可分為水介質設備和氣動設備。
水介質設備
水介質設備包括各種水洞、水槽、水池以及管流裝置等；水槽可分為拖曳水槽、開式水槽和回流水槽。以水作為工作介質時，由於水的密度較大（約為空氣的800倍），比較容易顯示出高反差的、清晰的空間流動圖像，也可放慢時間尺度，方便地進行觀察和記錄，所以，有些氣動現象往往也用水介質設備來進行模擬實驗。
氣動設備
氣動設備包括各種常規風洞、煙風洞、特種風洞，和各種氣流裝置等。
流場顯示技術
發展概況
最早採用流場顯示方法進行實驗研究的是O.Reynolds，他於1879年首先套用直接注入有色液體的方法進行了圓管內層流、湍流及其轉換的實驗，從而發現了相似律並定義了雷諾數。此後，流場顯示技術不斷發展。1880年Dvorak提出的陰影法、1892年干涉儀的製成，以及A.Toepler提出的紋影法，為光學方法在顯示技術領域內的套用打下了堅實的基礎。1904年L.Prandtl利用固體粒子示蹤法顯示了平板模型在水中繞流的流譜，根據這一實驗觀察，他首先建立了邊界層概念。1914年H.L.Rubach利用鋁粉在靜止水中顯示了圓柱突然運動時的流動狀態。1920年J.A.C.Haslan首先利用絲線法觀測了機翼的流動狀態。1930年開始套用化學反應示蹤法。1933年K.W.Clark使用了油流法。1955年Geller首先在水介質中套用氫氣泡法進行顯示取得成功。到60年代，雷射技術的興起為流場顯示增添了新的力量。
科學技術的發展推動了流場顯示的發展，流場顯示技術的建立與發展對流體力學的發展有著巨大的作用。但是，在計算機技術還比較落後的情況下，學者們在套用流場顯示技術進行流態研究時，沒有充分地利用流譜圖中所蘊含的大量的信息。如：Schwabe（1935）、Timme（1957）對流過圓柱的二維流場情況進行了一系列的研究，但他們都僅潛心於所測速度分布的分析；又如：Coutanceau.M和Bouard.R（1977）也只詳盡地研究了恆定流和非恆定流圓柱繞流貓眼渦的幾何意義及旋渦內的速度分析。他們中還沒有誰取得對流動的一般和系統了解。這是由於：①由照片來確定大量質點的軌跡需要巨大而繁瑣的人力勞動；②在隨機範圍內對所測速度矢量進行數值分析存在難以克服的困難；③由於難以預測結果而事先作了相當程度的簡化處理。70年代以後，計算機技術的發展，特別是計算機圖形處理技術的發展，使得通過流場顯示快速、定量、系統地獲取有關速度、流函式、旋度及壓力等眾多的流體動力學信息成為可能。流場顯示技術從定性的流線顯示發展到了給出定量的流場要素數據。一些學者開始對流譜圖像進行數據處理。如：A.J.Grass和P.H.Kemp（1979）利用流場顯示技術，定量地分析了擺動流在圓柱後產生的分離點的位置和分離角度隨著擺動流相位的變化而變化的關係；又如：Imaichi.K和Ohmi．k（1982）採用帶有圖像處理裝置的個人計算機測定質點軌跡坐標，在數個速度矢量間的格線點上內插速度，計算流函式、渦度和壓強的數值分布；還有Kobayashi.T，lsihara.T和Sasaki.N（1985）等也套用計算機系統對流譜圖像進行了數值處理，等等。
近10年來，隨著計算機和光電技術的發展運用粒子示蹤定量流場顯示方法獲得迅速發展。如I.Iwasak和H.Tanaka（1983）、T.Robayashi，T.Ishihara，Chinr-Ten Chen（1990）等用粒子軌跡測速法（PSV法）進行了定量測速研究；A.Cenedese和A.Pa—galialunge（1990）用粒子圖像測速法（PIV法）定量研究渦旋結構；C.E.Willert和M.Ghaxib（1991）採用數字圖像測速法（DIV法），利用雷射器和CCD面層感測技術定量測定旋渦環境。
流場顯示技術不斷地發展，其套用的速度範圍從低速自然流向超音速流發展；其研究對象從恆定流顯示向非恆定流顯示拓寬；而且流場顯示正從實驗室走向現場，並向非接觸示蹤法擴展。近二三十年，流場顯示作為一個實驗技術領域逐漸形成了自己獨立的體系，其發展更為迅速。1960年美國機械學會主持召開了流場顯示技術專業會議；自1973年開始日本每年舉行一屆全國流場顯示學術會議；自1977年以來，每隔三年舉行一屆國際流場顯示學術會議。近些年來．隨著微型計算機的迅速發展，採用微機系統對流譜圖像進行圖/數處理、繪製色彩圖像的先進技術，使得流場顯示技術的發展出現了一次飛躍，流場顯示已不單是一種實驗流體力學的量測手段，而是逐步成為一門新興的邊緣科學，除套用於流體力學基礎課題以外，更廣泛地套用於工程實際和生產問題。
類型
按照觀察流體流動的物理學原理，可以把流場顯示技術分為兩大類：第一類方法是將微小的固體、液體或氣體引入被研究的流體中，然後藉助光的反射或散射來觀察流體質點的流動圖案，這是最常用的顯示方法，稱為粒子示蹤法。該類方法適用於水流的流場顯示。第二類方法是利用透過流場的光束在流體中折射率的變化，從而推斷流場物理量的變化，稱光學顯示方法。一般講，該類方法適用於氣流的流場顯示。
在氣動物理靶試驗中，因為試驗中的流體為空氣，為了清楚地認識飛行模型周圍流場的結構，就必須提供能使流動變成可見的技術，這就是流場顯示技術。流場顯示技術主要包括以下三類：
第一類包括了全部外加材料技術，外加材料必須是可見的，如果組成材料的粒子足夠小，就可以認為，在速度方向和大小兩個方面，這些粒子的運動和流體的一致。
第二類為光學流場顯示技術，因為流場的溫度、壓力、濃度和馬赫數等狀態參數與密度有確定的函式關係，而氣體的光學折射率是其密度的函式，所以用能反映被研究流場折射率變化的光學方法就可以顯示可壓縮流場。目前常用的光學方法大致可分為3類：
（1）根據光線在投影面上的偏移來確定折射率二階導數的陰影法。
（2）根據光線的偏折角來確定折射率一階導數的紋影法。
（3）根據光線相位變化即光程長度的差值來確定折射率的干涉法。
上述3種光學顯示方法本質上都是積分形式的，即在成像面上獲得的流場信息是沿光束傳播方向所有信息的積分，陰影和紋影方法往往用於流場的定性顯示，對於軸對稱和二維流場，干涉方法可用於密度場的定量測量。
第三類流場顯示方法是上述兩種原理的結合，只是注入流場中的外加物是能量，如熱能或放電能，有時需要用光學的方法才能把它們和其餘流體辨別出來。
氣動物理靶試驗中使用的流場顯示方法以第二類無擾動光學流場顯示為主，主要包括陰影照相、紋影照相、全息干涉照相等。
套用
流場顯示技術除套用於流體力學基礎課題，還廣泛地套用於航空、海洋、船舶、大氣、機械工程、冶金工程、交通運輸、環境保護、土建工程、原子能工程、農業、生物醫學工程等科研、生產領域的研究。
（1）在流體力學基礎研究中的套用。隨著生產和科研的發展，流體力學基礎性課題被提了出來。湍流是流體力學的難題之一，流場顯示方法對其機理的實驗研究起了重大作用。如壁面剪下湍流的有序結構就是Kline等人在1967年用氫氣泡顯示方法發現的。在邊界層實驗方面，流場顯示頗為有效地展示了邊界層的流場圖案。在波浪理論方面，利用流場顯示技術，可在實驗室內清晰地顯示水質點運動軌跡、質點速度和加速度及波浪非線性機理等。另外，針對多相流、分層流也進行了很多顯示實驗研究。
（2）在實際工程方面的套用。以船舶工程為例，日本利用顯示方法在回流水槽中進行船舶外形的實驗取得了很大的成就；在海洋工程方面，顯示方法可幫助了解對海洋平台支撐物的繞流流動特性、了解波浪和水流對樁柱結構作用力的正確計算，了解地形對洋流的影響等；在環境工程方面，可採用顯示方法研究廢水對河流的污染、排煙對空氣的污染等；可深入了解熱電廠溫排水口近區流態等。在醫學方面，可利用顯示技術顯示人工心臟瓣膜的工作狀態及血栓存在時血管內血液的流動等。顯示技術同樣還被套用於航空、大氣、建築、農業等各方面。隨著科學技術的發展和生產的進步，流場顯示技術的套用今後必定有更大的發展。
