空气动力学实验方法：流场显示技术：流场光学诊断技术教程.pdf

空气动力学实验方法：流场显示技术：流场光学诊断技术

教程

1空气动力学实验基础

1.1流体力学基本概念

流体力学是研究流体（液体和气体）的力学行为的学科，它在空气动力学

实验中起着基础性的作用。流体的基本特性包括连续性、可压缩性、粘性等。

在实验中，我们关注流体的运动状态，如速度、压力、密度等，以及它们如何

随时间和空间变化。

1.1.1连续性方程

连续性方程描述了流体质量守恒的原理。对于不可压缩流体，连续性方程

简化为：

∂∂∂

++=0

∂∂∂

其中，、、分别是流体在、、方向的速度分量。

1.1.2欧拉方程与纳维-斯托克斯方程

欧拉方程适用于无粘性流体，而纳维-斯托克斯方程则考虑了流体的粘性效

应。在空气动力学实验中，根据流体的性质和实验条件，选择合适的方程进行

分析。

1.2空气动力学实验设备介绍

空气动力学实验中使用的设备多种多样，从简单的风洞到复杂的激光诊断

系统，每种设备都有其特定的用途和优势。

1.2.1风洞

风洞是空气动力学实验中最常见的设备，用于模拟飞行器或汽车在空气中

运动的环境。风洞可以分为低速、高速、超音速和高超音速风洞，根据实验需

求选择。

1.2.2激光诊断系统

激光诊断技术，如粒子图像测速（ParticleImageVelocimetry,PIV）和激光多

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普勒测速（LaserDopplerVelocimetry,LDV），能够提供流场的高精度测量。这些

技术利用激光束照射流场中的粒子，通过分析粒子的散射光来测量流体的速度

分布。

1.3实验安全与操作规范

在进行空气动力学实验时，安全是首要考虑的因素。实验操作规范确保了

实验的顺利进行和数据的准确性。

1.3.1安全措施

个人防护装备：实验人员必须穿戴适当的防护装备，如安全眼镜、

听力保护器和防护服。

设备检查：在实验开始前，必须对所有设备进行彻底检查，确保

其处于良好工作状态。

紧急停机：实验区域应设有紧急停机按钮，以便在发生意外时立

即停止实验。

1.3.2操作规范

实验准备：在实验开始前，应详细规划实验步骤，包括设备设置、

数据采集策略等。

数据记录：实验过程中，应准确记录所有数据，包括流体参数、

实验条件和任何异常现象。

数据分析：实验结束后，对收集的数据进行分析，使用适当的软

件和算法来提取流场特性。

1.4示例：粒子图像测速（PIV）数据处理

假设我们从PIV实验中收集了一组流场图像数据，现在需要使用Python进

行处理，以提取流体的速度分布。

importnumpyasnp

importmatplotlib.pyplotasplt

frompivpyimportPIV

#加载PIV数据

piv_data=PIV(path/to/your/piv_data.txt)

#数据预处理

piv_data.preprocess()

#计算速度场

u,v=piv_data.calculate_velocity()

2

#可视化速度场

plt.figure()

plt.quiver(piv_data.x,piv_data.y,u,v)

plt.xlabel(XPosition)

plt.ylabel(YPosition)

plt.title(VelocityField)

plt.show()

在这个例子中，我们使用了pivpy库来处理PIV数据。首先，加载数据并进

行预处理，然后计算速度场，最后使用matplotlib库来可视化速度场。这只是

一个基本的示例，实际的PIV数据处理可能涉及更复杂的算法和数据清洗步骤。