功能作用介绍：
自循环式方腔流动测量系统由两部分组成，分别为自循环式方腔水流系统及PIV(Particle Image Velocimetry粒子图像测速)测量系统，如图1。方腔水流系统由大水箱、栅格、水管、水泵、流量开关、过渡段及方腔组成，见图1(a)。大水箱的作用类似小型水库，用以提供充足的水源，其较大的表面积能保证系统内水位的稳定性。水流的动力系统采用LRS 25-6型屏蔽式增压泵，其最大流量为3 m3/h，对应的雷诺数(以进口处水力半径及平均流速衡量)可达5000;为精细调整系统的流量，添加流量开关，实验时可充分模拟水流从层流至紊流的变化过程。为保证水管的圆形断面(d=2.5cm)平稳过渡至方腔入口的矩形断面(4×2cm2)，采用长为25cm的过渡段连接水管及方腔。本系统的方腔尺寸为8×4×6 cm3，由已有文献可知，此方腔属于三维敞开式浅腔，即剪切层在方腔入口的台阶处分离，在未冲撞下游边壁前接触凹腔底面，并沿展向(z)具有一定的摆动。方腔的背面为不锈钢，上下和前面为玻璃，以便于激光从方腔底面往上垂直照射，高速摄像机透过方腔前面拍摄激光照亮区域获取实验图片。出水口处设有栅格，用以整流及消除大尺度结构，进一步防止水面出现较大的波动。
方腔中垂面的二维瞬时流速场测量采用自主开发的二维高频PIV系统，由高速摄像机、连续激光器、示踪粒子和PIV计算软件组成，见图1(b)。PIV技术可以无干扰地测量平面内各点的二维流速矢量，是目前实验流体力学领域应用最广泛的流速测量技术。高速摄像机的CCD的分辨率为640×480像素，采样频率最高可达245Hz;为兼顾进光量和图像变形两方面的要求，为高速相机配备了佳能EF 85mm f/1.2L USM镜头。采用功率为2W的Nd-YAG型连续激光器，波长532nm。示踪粒子为HGS-10型空心玻璃微珠，粒径为10μm。采用自主编写的PIV软件计算流场，算法为多级网格迭代的图像变形算法，通过不断减小诊断窗口的尺寸，并同时利用流场信息对诊断窗口进行变形来提高计算的精度。
本系统的主要优势在于：(1)可以精细调节形成任何雷诺数小于5000的流动，范围可覆盖层流至充分发展的紊流;(2)结合最新的PIV技术，可高分辨率地测量整个面内的二维流速矢量，为后续各种参数及涡旋的计算提供基础;(3)方腔的边界条件虽然简单，却包含极其丰富的物理现象;(4)在水流中加入适量的泥沙，还能形成复杂的水沙两相流，可利用PIV/PTV进行耦合计算。
清水实验步骤为：(1)先在水箱中注入一定的水量，打开水泵使系统中形成某一较小的流量;(2)按照预设的雷诺数，调节水泵的功率及流量开关，使实验雷诺数接近预设值;(3)向水流中加入适宜浓度的示踪粒子，等待15～20分钟至水流系统充分稳定;(4)调节激光使其照亮测量区域，示踪粒子在激光的照射下发生散射，形成较好的可视化图形;(5)调整镜头与激光片光间的距离、镜头与相机间的距离改变图像分辨率，调节相机至清晰成像，利用相机的高频采样能力拍摄并存储实验图片序列。
当获得清水实验图片后，利用PIV软件计算可获得测量平面内的二维速度点阵，其后可进行各种参数的时均统计(时均流速、紊动强度、雷诺应力、偏差系数，峰凸系数、涡量、耗散率等)、谱分析(傅里叶、小波、S变换、本征正交分解)及涡旋的提取(密度、半径、环量)。综合分析各种参数间的相关性，建立方腔流动模型，加深对方腔流动物理现象及其机理的理解，如图2。
水沙两相流的实验步骤与清水一致，当水流稳定开始正式试验时，在进口加入少量泥沙颗粒。水沙两相流图片获得后，用两相分离方法将原始图片分离成仅含液相的示踪粒子图片(用PIV计算)和仅含固相的沙粒图片(用PTV计算)。用PIV/PTV耦合计算获得两相的速度后，即可分析两相间的差异(如各种时均统计参数)，固相的空间分布与液相流场的关系;对比清水实验，还可以获得固相对液相的影响。
作品名称：自循环式方腔流动测量系统
完成单位：清华大学水利水电工程系
