应用CCD对浓度场的全场瞬时测量

　　1　综　述

　　湍流是流体力学中有名的、长期的和世界公认的尚未解决的难题.不同的学者正尝试从不同的角度来揭示湍流的本质和规律.浓度场的研究是湍流研究的重要内容.研究浓度场的途径通常有数值计算方法(如求解Navier-Stokes方程)和实验测量.

　　浓度的测量方法一般分为接触式测量和非接触式测量2种[1].

　　接触式测量主要是采样测量.这也是目前国内外常采用的方法.在实验研究中(尤其是风洞实验研究)常用采样测量方法[1~4]接触式测量浓度,通过释放特定的气体(SF6、苯酚、乙烯等)[1],对浓度场进行布点平均式测量.由于测量方法本身的限制,采样头不可能布满整个研究区间,在环境风洞中采样头需要经过很长的距离才能够到达采集器,因此采样时间一般较长,一般每次采样大约需要2~5 min,故接触式采样测量一般只能得到有限点的平均浓度,不能获得全场的瞬时浓度.瞬时浓度的采样测量(单点、干扰测量)需要昂贵的分析设备,而且采样传输距离要求尽可能短,否则会影响测量频率,每个采样点需要一台价格昂贵的分析设备,从而,多点采样瞬时采样测量成本很高.总之,采样测量代价大,不可能获得全场的浓度,不能测量瞬时的浓度场的变化.

　　非接触式测量主要是光学测量方法.主要有基于相位的光学测量方法和基于粒子散射的光学测量方法.传统的浓度测量是通过流场中气体的折射率场来转换为浓度场,很难进行实时显示和测量[5].近几年国内外发展的先进的流动显示和测量方法(如粒子成像测速PIV、激光诱导荧光PLIF等)是利用光学散射来测量速度场,也可用来测量密度场和浓度场.这些方法的测量区域小(一般只有几cm2,而环境扩散试验要测量的范围可达到m2量级)、价格过高、对使用环境要求高等条件限制了其在浓度场全场瞬时测量中的应用.

　　激光散射法测量粒子粒径有许多成熟的方法和仪器[5],它们也可以测量粒子的浓度,甚至在线测量瞬时浓度,但是它们的研究区域基本是单点测量或者小区域浓度的测量,不能在大范围内、全场、瞬时测量.

　　基于数字图像处理技术和光学粒子散射理论的瞬时浓度场测量技术具有非接触、全场测量、测量区域大和低成本等特点.本文研究了具有非接触、全场测量、测量区域大和低成本等特征的瞬时浓度场光学测量系统,给出了实际测量的结果,并和相关文献结果作了比较.

　　2　光学测量

　　测量中,考虑烟粒子在大气中的两相流动问题.假定释放的烟雾粒子的几何特性差别不大,并满足不相关弹性单散射(一般工程对流扩散问题都能够很好的满足此条件).照射光源为激光片光(1 m处厚度1 mm),CCD摄像机进行侧向采集散射光,只拍摄烟雾粒子的散射光,即拍摄系统镜头轴线和照射片光入射平面垂直.烟雾粒子在像平面所成的像强度由曝光量决定,曝光量为该烟雾粒子散射光光强与时间的积分[6],实际每次拍摄实验,摄像机拍摄的曝光时间是确定的,因此单个烟雾粒子的图像强度完全取决于在像平面上烟雾粒子成像的能量通量,应等于此烟雾粒子散射光进入拍摄透镜中的散射光通量.