《现代流体测试技术》
第三章流动显示技术
刘宝杰，于贤君
2015/6/15
通过直观的影像可以看到什么？简单的物理现象可以揭示复杂的科学问题这些短片显示了气流的流动状态，都属于流动显示的范畴
将看不见或者看不清的流动现象观测记录下来的方法就是流动显示。
要将复杂的流动现象显示出来，往往需要人为的创造条件，这就会形
成不同的流动显示技术。
人们如何从“天圆地方”的认识转变到“地球是圆的”？
人们的认识如何从“地心说”转变到“日心说”？
人们从对各种物理现象的认识总是从最基本的感性层次开始，然后随着认识的加深而加以修正。
为什么要学习流动显示技术？
•湍流的发现（O. Reynolds，1883）
•激波的发现（E. Mach，1888）
•附面层的发现（L. Prandtl，1904）
•涡街（V. Karman，1919）
•脱体涡流型（20世纪60年代）
•湍流拟序结构/相干结构（S. J. Kline，1967）
•大迎角分离流型（20世纪80年代）流体力学发展中的任何一次学术上的重大突破，及其应用于工程实际，几乎都是从对流动现象的观察开始的。
为什么要学习流动显示技术？
⏹Da. Vinci（达. 芬奇，1452-1519）与流动显示
湍流
⏹Da. Vinci（达. 芬奇，1452-1519）与流动显示
钝体绕流
⏹O. Reynolds（雷诺，1842-1912）与流动显示
Different Flow Phenomena in Tube
流动显示技术的发展历史
⏹Ernst Mach（马赫，1838-1916）与流动显示
全尺寸风洞中车辆周围的烟线现代科学努力构造的世界图像不是来自推测，而是尽可能地来自事实，并依靠观察加以证实。
——马赫·E
⏹L. Prandtl（普朗特，1875-1953）与流动显示
Boundary Layer
⏹S. J. Kline
平板湍流附面层拟序结构的发现（Kline，1967）
流动显示技术的发展历史
达·芬奇
雷诺马赫、普朗特
Kline 被动记录（记录）
主动观测（显示并记录）
客观创造（创造环境，显示并记录）科学分析（有针对性地深入分析研究）
科学技术发展的历史展示了人们对科学问题逐步认识的过程，也是我们研究问题最为合适的思考途径。
流动显示技术的应用范围——大气
流动显示技术的应用范围——大气
流动显示技术的应用范围——海洋
流动显示技术的应用范围——海洋
流动显示技术的应用范围——海洋
流动显示技术的应用范围——海洋
流动显示技术的应用范围——风洞
流动显示技术的应用范围——风洞
流动显示技术的应用范围——风洞
流动显示技术的应用范围——风洞
流动显示技术的应用范围——风洞
流动显示技术的应用范围——分子/细胞
•化学反应示踪法：电解沉淀、电解着色、光化学等
•丝线法：表面丝线、网格丝线等
•直接示踪法：迹线、等时线、表面漂浮等
•电控制法：氢气泡、电火花示踪、烟线等
•表面示踪法：油膜、热敏漆、压敏纸等
•光学法：阴影、纹影、荧光、干涉法等
丝线法：网格丝线
三角翼后的网格丝线
3.2.1 传统流动显示方法的分类 丝线法：网格丝线
焦点
鞍点
叶片中部
分离线
压气机叶栅表面丝线对应计算结果（流线）
•化学反应示踪法：电解沉淀、电解着色、光化学等•丝线法：表面丝线、网格丝线等
•直接示踪法：迹线、等时线、表面漂浮等
•电控制法：氢气泡、电火花示踪、烟线等
•表面示踪法：油膜、热敏漆、压敏纸等
•光学法：阴影、纹影、荧光、干涉法等
直接示踪法：染色线
圆管湍流流动显示（雷诺，1883）
直接示踪法：染色线
圆柱卡门涡街
直接示踪法：表面漂浮法
翼型突然起动（左）和停止（右）
直接示踪法：表面漂浮法
翼型突然起动和停止
•化学反应示踪法：电解沉淀、电解着色、光化学等•丝线法：表面丝线、网格丝线等
•直接示踪法：迹线、等时线、表面漂浮等
•电控制法：氢气泡、电火花示踪、烟线等
•表面示踪法：油膜、热敏漆、压敏纸等
•光学法：阴影、纹影、荧光、干涉法等
发动机短舱的设计
电控法：烟线
贴近地面的发动机短舱烟流动显示（左：静止，右：移动）
3.2.1 传统流动显示方法的分类 电控法：烟线
三角翼上脱体涡破碎的烟线显示三角翼脱体涡的烟线显示
电控法：电火花
风机不同流量下叶轮通道内电火花流动显示
•化学反应示踪法：电解沉淀、电解着色、光化学等•丝线法：表面丝线、网格丝线等
•直接示踪法：迹线、等时线、表面漂浮等
•电控制法：氢气泡、电火花示踪、烟线等
•表面示踪法：油膜、热敏漆、压敏纸等
•光学法：阴影、纹影、荧光、干涉法等
表面示踪法：油膜
涡轮叶栅端壁流动
•化学反应示踪法：电解沉淀、电解着色、光化学等•丝线法：表面丝线、网格丝线等
•直接示踪法：迹线、等时线、表面漂浮等
•电控制法：氢气泡、电火花示踪、烟线等
•表面示踪法：油膜、热敏漆、压敏纸等
•光学法：阴影、纹影、荧光、干涉法等
光学法：阴影法
用阴影法看超音速流动
•第一类：添加外来物法
如丝线、烟线、漂浮物法等，通常用于较低速流动情况。
•第二类：光学法
如纹影、阴影法等，通常用于流体密度发生明显变化的情况，如有激波的情况。
•第三类：能量法
如电火花、荧光示踪和很多利用化学方法进行的流动显示技术，这类方法实际上是上述两类方
法的结合。
3.3.1 传统流动显示方法适用范围
第二代流动显示方法以含有计算机辅助技术为标志，以常规的流动显示技术及设备为基础，运用计算机进行图像的存储，利用图像处理技术，得到彩色显示的流动图像，
给出丰富的流场信息和高质量的图像。
多种流动显示技术的综合使用
流动显示与测量相结合，发展瞬时、定量、三维流动显示/测量技术 流动显示技术与计算机结合 流动显示与CFD技术相结合
3.3.2 第二代流动显示方法
激光片光-烟雾示踪结合
导弹头部脱体涡在不同截面内的形态
激光片光-烟雾示踪结合翼型前缘分离泡
显示区域
激光片光-烟雾示踪结合
翼型前缘分离泡的烟流动显示
压力/温度敏感漆:Pressure Sensitive Paint (PSP )
Temperature Sensitive Paint (TSP)
（白:温敏，黄:压敏，紫:参考）
实验装置温度分布压力分布
液晶-表面热流测量
涡轮叶栅实验模型湍流斑显示结果。