湍流研究在流體動力學(xué)中起著非常重要的作用。高速成像系統(tǒng)，以及粒子圖像測速（PIV）和平面激光誘導(dǎo)熒光（PLIF）等流量測量技術(shù)，可以揭示湍流機(jī)理，使流體動力學(xué)專家能夠看到他們以前無法看到的東西。

Oliver Buxton 是倫敦帝國理工學(xué)院航空系的一名研究員，他專注于應(yīng)用激光診斷技術(shù)來觀察可壓縮和不可壓縮流動系統(tǒng)中的湍流。他的其中一個研究領(lǐng)域是夾帶，或一種流體的質(zhì)量被轉(zhuǎn)移到另一種流體中的過程。“想象一下，一縷煙從煙囪中升起，”Buxton 解釋說?！盁熡鹱兊迷絹碓胶袷且?yàn)榭諝膺M(jìn)入了煙羽中。這就是夾帶?！?br style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; overflow-wrap: break-word !important; visibility: visible;"/>

了解這一過程，以及湍流流體周圍區(qū)域的增長率，對于石油泄漏、風(fēng)力發(fā)電場等許多環(huán)境應(yīng)用都很重要。

湍流與非湍流背景流體

盡管非湍流背景流體在目前的夾帶研究中占了很大一部分，但在現(xiàn)實(shí)世界的流動系統(tǒng)中，不乏存在湍流背景流體?！袄?，在風(fēng)電場就有湍流背景流體，它在大氣湍流時出現(xiàn)” Buxton 說?！傲私怙L(fēng)尾流從湍流背景流體中擴(kuò)散的速度可以幫助我們更好地布置渦輪機(jī)，以優(yōu)化風(fēng)電場的性能?！?/p>

為了研究湍流背景流體對夾帶過程的影響，以及兩種流體之間的界面區(qū)域的性質(zhì)或總接觸面積，Buxton 將一個圓筒置于自由流湍流中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。然后，他用同步 PIV 和 PLIF 流量測量技術(shù)測量了結(jié)果，這兩種技術(shù)都是利用高速成像。

用PIV和PLIF方法觀察流動

作為一種非侵入性的成像方法，PIV 使研究人員能夠?qū)α鲌鲞M(jìn)行觀察和量化。利用這種技術(shù)，Buxton 在實(shí)驗(yàn)中測量了夾帶速度。用于產(chǎn)生湍流的網(wǎng)格被放置在圓筒的上游，它在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生了自由流湍流，雷諾數(shù)達(dá)到 4000。Buxton 將一些空心玻璃球放入氣流中，它們就像風(fēng)暴輸送塵埃粒子一樣輸送示蹤粒子。他用一個 527 納米（nm）的激光器照亮了感興趣的區(qū)域，并用一臺 Phantom 高速攝像機(jī)對熒光粒子進(jìn)行了成像。

通過給攝像機(jī)配備一個帶通濾波器，Buxton 防止了來自染料（羅丹明 6G）的任何反射光對他的測量結(jié)果造成影響。獲得 PIV 圖像后，他通過運(yùn)行互相關(guān)算法測量了粒子在 500 微秒（μs）內(nèi)的位移?！爸懒Ｗ釉谶@段時間內(nèi)的位移后，我們就能測量出底層流體的速度，”Buxton 說。

PLIF 是 Buxton 使用的第二種光學(xué)診斷技術(shù)，對于檢測兩種湍流流體之間的界面位置至關(guān)重要。只有在研究湍流背景流體的夾帶時，才有必要進(jìn)行這種測量，它會使用一個被動標(biāo)量，Buxton 解釋說，“這是一種可以被流動輸送而不影響流動本身的東西”。

在測量過程中，他在感興趣的區(qū)域放入了熒光物質(zhì)，用激光片照亮了該區(qū)域，然后用 Phantom 高速攝像機(jī)對熒光進(jìn)行了成像。通過使用一個低通濾波器，Buxton 確保了 PLIF 攝像機(jī)只捕捉該實(shí)驗(yàn)中的示蹤劑數(shù)據(jù)，而忽略 PIV 實(shí)驗(yàn)的示蹤粒子。

PLIF 是 Buxton 使用的第二種光學(xué)診斷技術(shù)，對于檢測兩種湍流流體之間的界面位置至關(guān)重要。只有在研究湍流背景流體的夾帶時，才有必要進(jìn)行這種測量，它會使用一個被動標(biāo)量，Buxton 解釋說，“這是一種可以被流動輸送而不影響流動本身的東西”。

在測量過程中，他在感興趣的區(qū)域放入了熒光物質(zhì)，用激光片照亮了該區(qū)域，然后用 Phantom 高速攝像機(jī)對熒光進(jìn)行了成像。通過使用一個低通濾波器，Buxton 確保了 PLIF 攝像機(jī)只捕捉該實(shí)驗(yàn)中的示蹤劑數(shù)據(jù)，而忽略 PIV 實(shí)驗(yàn)的示蹤粒子。

在硬件方面，Buxton 使用了 VEO L 型，它的重量很輕，只有 5 磅，并且具有 I/O 接口，方便在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行科學(xué)研究。這款攝像機(jī)還支持各種可更換的鏡頭卡口。Buxton 在 PIV 中使用了 200 mm 的尼康鏡頭，在 PLIF 中使用了 100 mm 的圖麗鏡頭。

Buxton 的 PIV 和 PLIF 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明，湍流與湍流之間的界面確實(shí)是存在的。通過分析尾流邊界的結(jié)構(gòu)，Buxton 還得出結(jié)論，背景湍流強(qiáng)度的增加會導(dǎo)致界面面積增加。在完成這項(xiàng)關(guān)于湍流夾帶的研究之后，Buxton 現(xiàn)在正在參與一個更大的、為期五年的項(xiàng)目，目標(biāo)是優(yōu)化風(fēng)電場的布局。他說：“我們將進(jìn)行更復(fù)雜的湍流夾帶研究，因此 Phantom VEO 640 攝像機(jī)對我們來說將比以往任何時候都更重要。”