基于纹影技术的流场图像可视化观测装置设计与研制文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

传统纹影技术作为一套通过观察变密度流场中光线偏移现象的非侵入式光学测量法，首次出现在十九世纪末期,是由Toepler发现的，开始只是用于测量不同材料的玻璃的折射率[1]。在一个世纪的历史长河中,该技术经过时间的洗礼后,逐步形成了灰度纹影、彩虹纹影、干涉纹影、背景纹影等种类丰富纹影测量方法,而且在冲击试验、可燃物、混合气体以及空气动力学等有流场存在的领域中均倍受青睐。

近年来，国外科研人员通过纹影法完成了多项研究。在2014年，N.Kotchourko等人[2]基于背景导向纹影法(BOS)研究了从恒定质量流速为3克/秒、内径为21mm的喷嘴发出的准静止氢射流，同时通过采样探针法进行独立的一组测量,利用气体分析仪测量各种“探针捕获”位置。之后将原始图像通过PIV型算法进行处理，验证了BOS技术能够准确地探测浓度分布;同年，意大利的Mario Misale等人[3]在研究不对称加热的垂直通道中的自然对流时，搭建“Z”型反射式纹影光路，利用纹影技术的光学方法来测量使用水作为对流流体的局部传热系数。结果表明传热系数的实验数值分布和数值模拟之间的一致性良好，鼓励使用纹影技术来研究水流中的自由对流传热。这项研究给基于纹影技术来观测高能束增材制造过程中的流体流动提供了一定的依据；在2015年间，美国研究人员Sally P.M.Bane等人[4]将高速纹影显示技术与数值模拟技术相结合来研究用于火花放电后的流体力学以及氢-空气混合物中点火过程的影响，将计算结果与火花和点火核的高速纹理图像做比较，结果为火花核形成和点火中各种物理现象的作用提供了新的见解，特别是粘度，压力梯度，电极几何形状和热气体约束的重要影响。在2016年间，德国研究人员Hannes Stadler等人[5]研究了风对太阳能空腔接收器对流损失的影响，并通过背景导向纹影法(BOS)分析流动结构来解释了在面向后方的空腔中，会随着风速的增加而降低对流损失，结果表明与理论分析有很好的一致性。在2017年间，日本科研人员N.Chitanont等人[6]提出了一个时空滤波器用于提取特定区域中的声场信息并去除噪声，增强声场的可见度，从而使纹影成像能用于可视化那些空气密度变化小的可听声场。

对于国内近年情况, 2013年，华中科技大学邓鹏等[7]运用高速数字纹影法光学诊断系统，实现了对喷雾雾化过程、油气蒸发混合过程和喷雾着火燃烧过程的高速观测与记录，该试验平台为深入研究内燃机喷雾蒸发与燃烧过程提供了必要条件。同年，同济大学徐峥等人[8]探讨了利用纹影法来可视化和测量点聚焦换能器的声场，并基于纹影法对声场的定标结果对定制的光纤光栅声传感器的灵敏度做初步的标定，以使非标定制的光纤光栅声传感器用于复杂或极端环境下声压的测量成为可能。2013年到2015年,中国空气动力研究与发展实验室[9]将聚焦纹影显示技术与图像处理技术相结合应用在激波风洞试验中,对流场的密度进行定量测量,并证实了这个方法的可行性,但是其受光栅质量影响较大且聚焦面过厚,此外,还通过运用背景纹影技术结合PIV技术,对火焰流场与喷射流场开展定量测量研究,其结果表明此方法是可行的,但是用PIV技术中互相关算法进行的密度计算,具有不确定性。2015年，中科院[10]将纹影法、彩虹纹影偏折法与差分干涉法相结合,研制了可用于火焰结构显示和全场温度测量的原理样机；通过微重力落塔实验,检验了利用纹影法测量火焰结构的功能。同年，南航[11]搭建了背景导向纹影（BOS）测试平台并对设计出口Ma=1.9处于严重过膨胀下的喷管出口密度场进行了测量，证明了BOS技术能够在有复杂波系的超声速流场密度场测量中获得良好的结果,为超声速流场密度从传统的定性测量转变到定量测量提供了可靠的测试方法。2016年，清华大学汽车安全与节能国家重点实验室[12]用纹影法研究了汽油掺混30%丁烷(体积比,B30)后在GDI孔式喷射下的喷雾特性,并对喷嘴附近的近场喷雾液相进行了高速摄影研究。2017年，华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室[13]建立了一套适用于测量流注茎温度的定量纹影系统,同时根据纹影图片的特点以及流注茎的特性,提出了纹影图片的处理方法和流程,实现了对流注茎温度场的测量，对深入研究先导放电机理具有重要的意义。

综上所述，近年来，国内外的许多科研人员们通过将纹影法观测与数值模拟相结合，来研究诸如声场、爆炸、射流等现象涉及的流体流动，并取得了一定的成果。而这也为本文所研究的课题提供了可行性依据。本课题通过分析纹影法，设计一基于纹影技术的完备测量平台；并对气流、水流、热源等开展原位观察实验，探索所构建可视化测量装置的精度及范围；根据所测得数据与基准问题进行比较，并在此基础上对实验装置和光学系统进行完善和优化；针对高能束增材制造过程中的流体流动现象进行观测，对熔池表面温度场进行分析，对于增材制造过程的控形控性具有重要意义。

参考文献：
[1]冯天植,刘成民,赵润祥,王福华.纹影技术述评[J].弹道学报,1994,02:89-95

[2]N.Kotchourko,M.Kuznetsov,A.Kotchourko,J.Grune,A.Lelyakin,T.Jordan.Concentration measurements in a round hydrogen jet using Background Oriented Schlieren (BOS) technique[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2014,39(11):6201-6209

[3]Mario Misale,Marco Fossa,Giovanni Tanda.Investigation of free convection in a vertical water channel[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2014,59:252-257

[4]Sally P.M.Bane,Jack L.Ziegler,Joseph E.Shepherd.Investigation of the effect of electrode geometry on spark ignition[J].Combustion and Flame,2015,162(2):462-469

[5]Hannes Stadler,Robert Flesch,Daniel Maldonado.On the influence of wind on cavity receivers for solar power towers: Flow visualisation by means of background oriented schlieren imaging[J]. Applied Thermal Engineering,2016,113:1381-1385

[6]N.Chitanont,K.Yatabe,K.Ishikawa,Y.Oikawa.Spatio-temporal filter bank for visualizing audible sound field by Schlieren method[J].Applied Acoustics,2017,115