現(xiàn)代紋影技術(shù)研究進(jìn)展概述①

白赫，劉思鵬，董雷

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?以紋影技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)紋影技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，說(shuō)明傳統(tǒng)紋影技術(shù)與背景紋影技術(shù)的區(qū)別，并介紹了紋影技術(shù)在工程中的應(yīng)用與理論研究，最后總結(jié)了紋影技術(shù)的特點(diǎn)，提出彩色紋影在流場(chǎng)測(cè)量中的可能性。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?紋影技術(shù);傳統(tǒng)紋影;背景紋影;彩色紋影

[中圖分類號(hào)] ?TH744.3 ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)] ?2096-0603（2018）27-0022-01

一、紋影技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展

（一）傳統(tǒng)紋影技術(shù)

傳統(tǒng)紋影技術(shù)以蓋斯定律為基礎(chǔ)，利用光的折射率梯度與氣體密度成正比，且待測(cè)氣體密度也可反映其溫度、壓力和成分分布等多種性質(zhì)，通過(guò)觀察光的折射情況對(duì)流場(chǎng)分布進(jìn)行非接觸測(cè)量。這種測(cè)量方法在1884年由Toepler首次提出，發(fā)展至今已有黑白紋影、彩色紋影、干涉紋影等多種測(cè)量系統(tǒng)。

按照光纖通過(guò)流場(chǎng)的方式不同，可將傳統(tǒng)紋影儀分成平行光紋影儀和錐形光紋影儀。由于錐形紋影儀中的測(cè)量光線會(huì)反復(fù)進(jìn)過(guò)流場(chǎng)，形成實(shí)驗(yàn)誤差進(jìn)而造成圖像失真，所以在實(shí)際測(cè)量中多采用平行光紋影儀。根據(jù)平行光紋影儀的不同結(jié)構(gòu)可分為透射式和反射式紋影儀。由于透射式紋影儀需采用曲率較大的透鏡，且對(duì)相差要求比較嚴(yán)苛，給加工和實(shí)驗(yàn)帶來(lái)一定的困難。反射式紋影儀主要用于定性觀察，通常采用干涉的方式將定性觀察上升為定量分析。

（二）背景紋影技術(shù)

隨著對(duì)流場(chǎng)分布定量測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和需求，Meier GEA等人經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)和理論分析后，利用粒子示蹤技術(shù)（PIV）和紋影技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高速氣體流場(chǎng)分布的定量測(cè)量。較傳統(tǒng)紋影儀而言，背景紋影技術(shù)測(cè)量精度更高，且對(duì)光學(xué)器件的精密性要求大幅

降低，操作相對(duì)簡(jiǎn)便。2003年，H Richard和Meier等人結(jié)合工程實(shí)例，從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面說(shuō)明了背景文印技術(shù)的原理及其正確性，隨后，Erik Goldhahn等人結(jié)合流場(chǎng)分布的特點(diǎn)，將背景紋影技術(shù)推廣到三維流場(chǎng)分布，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果與理論計(jì)算，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬的方式，繪制了流場(chǎng)的三維分布;在風(fēng)洞和射流研究方面，Michael等人結(jié)合濾波技術(shù)對(duì)使用自然背景的可能性提出了理論研究與實(shí)驗(yàn)分析。

二、紋影技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用

（一）紋影技術(shù)在測(cè)量火焰中的應(yīng)用

紋影技術(shù)在測(cè)量燃燒過(guò)程中有著廣泛的應(yīng)用，對(duì)火焰鋒面

的顯示來(lái)說(shuō)，紋影技術(shù)是一種相對(duì)安全的非接觸測(cè)量手段。由于火焰鋒面不同位置處，周圍空氣密度分布不同，結(jié)合蓋斯定律，通過(guò)拍攝紋影照片并分析火焰鋒面不同位置的照度，可定量分

析出反應(yīng)物與周圍空氣混合及氣團(tuán)燃燒情況。在國(guó)內(nèi)，東南大學(xué)張欣剛博士利用紋影技術(shù)研究了燃燒室預(yù)混燃燒的不穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)采用高速攝像機(jī)記錄了火焰的運(yùn)動(dòng)，結(jié)合燃燒學(xué)的理論知

識(shí)驗(yàn)證了燃燒產(chǎn)生的自激振蕩時(shí)，壓力振動(dòng)頻率與熱釋放頻率

的一致性。楊藝和陳元迪等人結(jié)合分形理論，并以紋影技術(shù)為基礎(chǔ)，采用高速攝像的方式，分析了氫氣和空氣定容燃燒室內(nèi)預(yù)混燃燒的過(guò)程。

（二）紋影技術(shù)在超聲場(chǎng)應(yīng)的應(yīng)用

陸彥邑等人采用紋影技術(shù)，根據(jù)水中聲波與光波作用的規(guī)

律，使用Zernike技術(shù)獲得超聲場(chǎng)在液體中分布的理論模型，再

通過(guò)與紋影系統(tǒng)獲得的超聲聚焦實(shí)時(shí)圖像比較，建立了超聲換

能器的空間聲壓分布;胡斌等人使用紋影技術(shù)觀察了聲光介質(zhì)內(nèi)

部聲壓分布，且可觀察到晶體內(nèi)部折射率周期性分布圖像，計(jì)算超聲波在晶體內(nèi)的傳播速率。

三、紋影技術(shù)的主要特點(diǎn)

紋影技術(shù)是一種非接觸法光學(xué)測(cè)量法，尤其在燃燒和熱質(zhì)傳遞、超聲波聲場(chǎng)等相關(guān)領(lǐng)域研究中凸顯了其操作的簡(jiǎn)便性與測(cè)量的準(zhǔn)確性。隨著現(xiàn)代數(shù)碼技術(shù)的發(fā)展，背景紋影技術(shù)的準(zhǔn)確性進(jìn)一步提升，高像素照片為迭代窗口提供了更準(zhǔn)確的分辨率。此外，彩色紋影技術(shù)也在國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究中有所體現(xiàn)。總體來(lái)講，紋影技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)流場(chǎng)分布的實(shí)驗(yàn)研究，將傳統(tǒng)的理論分析上升為可觀察、可測(cè)量的具有視覺性的新領(lǐng)域。

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