通过流动可视化方法对三角翼上方流场结构的实验研究

本实验的总体目标是利用可视化技术观察三角翼前缘涡破裂位置振荡所对应的非定常旋涡流动，并探究导致该现象的机理。该方法有助于解答关于柱状三角翼非定常流动现象的关键问题，例如前缘涡破裂位置的振荡行为。该技术的主要优势在于能够同时呈现大尺度的整体前缘涡流场以及小尺度的胞状子结构。

从实验所用的模型开始。本实验的模型是一个长度为 280 毫米的铝制三角翼。将该模型带至风洞处进行安装，该风洞为闭回路低速风洞。

其测试段具有玻璃壁，可为实验提供光学通路。此处，三角翼已正确安装在风洞中。两台激光器可用于照亮流动结构：在进行粒子图像测速时使用双脉冲532纳米激光器，或在进行烟流可视化时使用连续波532纳米激光器。

该示意图提供了关于连续激光器光学装置的信息。凸透镜用于控制激光束的尺寸。柱面透镜将光束扩展成片状。

镜子将激光片光反射进入风洞。佩戴合适的激光防护眼镜，并从连续激光开始操作。出于安全考虑，使用中性密度滤光片降低激光束的透射率。

首先仅安装激光器、滤光片和反射镜。调节反射镜，将激光束引入风洞中，确保光束在模型前端后方约模型长度的1/4处穿过模型。

接下来，安装凸透镜和柱面透镜。然后，在模型处测量与之相交的激光线，以检查激光片的厚度。根据需要调整凸透镜。

当达到所需厚度时停止调整。将校准靶板放置在三角翼上，使其表面与激光片光重合。在激光关闭的情况下，继续设置相机。

使用商用数码相机进行烟雾流动可视化，并手动操作相机。将相机放置在合适位置以获得所需的视场，并将其对焦于校准目标板上。当相机准备就绪后，拍摄若干帧图像用于校准。

然后，取下校准靶板。以低速启动风洞，并注入油性颗粒使其均匀分布。为可视化烟雾流动，将风洞调节至所需流速并启动。

接下来，开启未加滤光片的连续激光器。在相机端采集5到10张流动结构的图像。利用这些图像检查激光片是否位于前缘涡核的纵向截面上。

此示例图像显示了清晰的涡核及次级结构，表明激光片光位置良好。根据需要调整相机设置以优化图像质量，并采集图像和视频。完成后，关闭气流并接近模型。

在此标记激光片的位置，作为后续测量的参考。关闭激光器，并将数据传输至计算机，完成操作。该测量需要使用不同的激光器。

将连续激光器更换为脉冲激光器。开启激光后，检查其光路，如有必要，调整凸透镜。确保光束沿连续激光器位置标记线穿过模型。

同时更换数码相机，替换为高速CCD相机，并通过同步器和双脉冲激光器控制该相机。

现在，前往模型处并确定一个可以观察到结构的区域。再次将校准靶板放置在该区域的翅上。聚焦于校准板，并拍摄多张照片。

继续操作前取下校准板。启动PIV软件并设置参数。将风洞气流启动至所需速度。

将激光调整至最高功率水平。使用软件开始采集100秒的数据。如果所获取的图像符合要求，则保存图像，并继续运行其他样本。

这是烟流可视化纵向截面的处理图像，图中附有10毫米的比例尺作为参考。该图像揭示了主要的前缘涡核、带有涡旋次生结构的卷起剪切层、涡破裂现象以及湍流尾迹。

本视频展示了转捩过程中横截面上前缘涡破裂位置的振荡现象。对每一时刻测得的破裂位置进行分析，表明存在强烈的反对称相互作用。这是一幅时间平均的粒子图像测速结果，显示了纵向横截面上的无量纲涡量。

主涡核可通过正负涡量的拐点线来识别，该拐点线以黑色虚线标出。实线包围的是局部旋转强度低于零的区域，表示剪切层涡旋。附加的子结构由白色虚线圈出。

该时间平均的粒子图像测速仪涡量结果位于展向截面上。流动从机翼前缘分离，形成剪切层，并在机翼两侧卷绕成涡核。剪切层内部存在稳定的涡旋亚结构。

一旦掌握，若操作得当，该技术可在一小时内完成。观看本视频后，您应能充分理解如何利用上述流动显示技术观察圆柱-三角翼的非定常流动现象。请务必注意，激光操作可能具有极高危险性，进行每次实验时都必须采取预防措施，例如佩戴激光防护眼镜。