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Quantative measuring technique for the temperature of flow fields in schlieren systems

ZHANG Xiong-xing WANG Wei LIU Guang-hai GUO Zi-long HU Rui

张雄星, 王伟, 刘光海, 郭子龙, 胡锐. 温度场纹影定量测量技术[J]. 中国光学(中英文), 2018, 11(5): 860-873. doi: 10.3788/CO.20181105.0860
引用本文: 张雄星, 王伟, 刘光海, 郭子龙, 胡锐. 温度场纹影定量测量技术[J]. 中国光学(中英文), 2018, 11(5): 860-873. doi: 10.3788/CO.20181105.0860
ZHANG Xiong-xing, WANG Wei, LIU Guang-hai, GUO Zi-long, HU Rui. Quantative measuring technique for the temperature of flow fields in schlieren systems[J]. Chinese Optics, 2018, 11(5): 860-873. doi: 10.3788/CO.20181105.0860
Citation: ZHANG Xiong-xing, WANG Wei, LIU Guang-hai, GUO Zi-long, HU Rui. Quantative measuring technique for the temperature of flow fields in schlieren systems[J]. Chinese Optics, 2018, 11(5): 860-873. doi: 10.3788/CO.20181105.0860

温度场纹影定量测量技术

基金项目: 

国家自然科学基金项目 31671002

陕西省工业科技攻关项目 2016GY-051

陕西省教育厅重点实验室科研计划项目 15JS035

详细信息
    作者简介:

    张雄星(1979-), 男, 湖北襄阳人, 硕士, 讲师, 2002年于西安电子科技大学光电子技术专业获得学士学位, 2011年于西安工业大学计算机技术专业获得工程硕士学位, 主要从事武器系统的测试测量、光电检测与数据处理方面的研究。E-mail:605703946@qq.com

    王伟(1973—),男,河南济源人,博士,副教授,1996年于西安建筑科技大学获得学士学位,1999年、2004年于西北工业大学分别获得硕士、博士学位,主要从事光电测试技术、光纤传感技术方面的研究。E-mail:wangwei@xatu.edu.cn

  • 中图分类号: TB942

Quantative measuring technique for the temperature of flow fields in schlieren systems

doi: 10.3788/CO.20181105.0860
More Information
  • 摘要: 为了研究纹影系统的温度场定量测量技术,本文详细阐述了纹影技术的定量测量原理,并通过分析流场纹影图像灰度大小与未被遮挡的光源像面积的关系,提出了一种新颖的流场温度定量测量的计算方法。首先,在光学平台上搭建了透射式纹影系统,将加热平台放置在该系统的测量区域,利用CCD相机将采集到的纹影图像上传到上位机进行图像处理,然后采用该算法计算得到温度场的测量值,并与热电偶的测量值相对比。实验结果表明:在室温20℃时,将加热平台的温度分别设定为50℃和90℃,纹影系统测量得到的温度值相对误差小于10%,证明了该计算方法的可靠性,实现了以纹影技术为基础的温度场定量测量。

     

  • 图 1  光在介质中的传播

    Figure 1.  Transmission of light beam in media

    图 2  偏折角θ与偏移量a关系图

    Figure 2.  Relationship between deflection angle θ and offset a

    图 3  刀口切割量与光源像的位置关系示意图

    Figure 3.  Relationship between the position of the blade and light source image

    图 4  图像灰度与刀口遮挡量关系曲线

    Figure 4.  Curve of relationship between image grayness and blade edge occlusion

    图 5  光源像面积变化示意图

    Figure 5.  Area change schematic diagram of the source image

    图 6  实验平台

    Figure 6.  Experimental platform

    图 7  不同温度下加热平台上方纹影图像

    Figure 7.  Schlieren image on the heating platform at different temperatures

    图 8  定量算法计算值与测温仪测量值比较图(上)50 ℃和(下)90 ℃

    Figure 8.  Schlieren image on the heating platform at different temperatures

    表  1  Comparison table of measurement values at 50℃

    Table  1.   Comparison table of measurement values at 50℃

    Height from hot plate/cm Calculation method/℃ Thermocouple measurement/℃ Relative error/%
    0.0 49.3 48.3 2.07
    0.5 46.1 43.2 4.39
    1.0 40.0 37.6 6.38
    1.5 31.5 30.2 4.30
    2.0 30.0 28.3 6.01
    2.5 27.2 26.5 2.64
    3.0 26.3 25.1 4.78
    3.5 24.4 26.0 6.15
    4.0 23.0 25.2 8.73
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    表  2  Comparison table of measurement values at 90 ℃

    Table  2.   Comparison table of measurement values at 90 ℃

    Height from hot plate/cm Calculation method/℃ Thermocouple measurement/℃ Relative error/%
    0.0 88.3 55.2 59.6
    0.5 53.5 55.1 2.90
    1.0 42.0 40.6 3.45
    1.5 37.5 36.7 2.18
    2.0 36.0 34.4 4.65
    2.5 34.2 33.0 3.63
    3.0 33.9 32.5 4.30
    3.5 32.4 30.0 8.00
    4.0 31.9 29.7 7.40
    下载: 导出CSV
  • [1] 张充, 李大海, 郭东华, 等.彩虹法和成像法测量玻璃微珠折射率对比研究[J].光学与光电技术, 2014, 12(2):29-34, 39. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gxygdjs201402006

    ZHANG CH, LI D H, GUO D H, et al.. Comparative study on the refractive index measurement of glass beads by rainbow and imaging method[J]. Optics & Optoelectronic Technology, 2014, 12(2):29-34, 39.(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gxygdjs201402006
    [2] 丁珏, 黄传伟, 陈珣, 等.基于光调制技术的混浊介质空间散射光信号检测方法研究[J].光学与光电技术, 2014, 12(2):35-39. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gxygdjs201402007

    DING J, HUANG CH W, CHEN X, et al.. Study on the measurement method of spatially scattered light signals of turbid media based on optical modulaiton[J]. Optics & Optoelectronic Technology, 2014, 12(2):35-39.(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gxygdjs201402007
    [3] 吕小亮.背景纹影技术的温度场测量[D].杭州: 浙江大学, 2011. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10335-1011052317.htm

    LÜ X L. Temperature measurement based on background oriented schlieren[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2011.(in Chinese) http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10335-1011052317.htm
    [4] 李云红, 孙晓刚, 原桂彬.红外热像仪精确测温技术[J].光学精密工程, 2007, 15(9):1336-1341. doi: 10.3321/j.issn:1004-924x.2007.09.005

    LI Y H, SUN X G, YUAN G B. Accurate measuring temperature with infrared thermal imager[J]. Opt. Precision Eng., 2007, 15(9):1336-1341.(in Chinese) doi: 10.3321/j.issn:1004-924x.2007.09.005
    [5] 尚鸿鹏.基于背景纹影技术激光损伤材料的气流场测量[D].长春: 长春理工大学, 2014. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10186-1015997101.htm

    SHANG H P. Based on BOS technique for the flow field measurements of laser damage material[D]. Changchun: Changchun University of Science and Technology, 2014.(in Chinese) http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10186-1015997101.htm
    [6] 张宗权, 徐铭, 任俊鹏, 等.封闭玻璃管道内液体折射率的非接触测量[J].光学精密工程, 2016, 24(10):2408-2416. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gxjmgc201610008

    ZHANG Z Q, XU M, REN J P, et al.. Non-contact measurement for liquid refractive index in a closed pipe[J]. Opt. Precision Eng., 2016, 24(10):2408-2416.(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gxjmgc201610008
    [7] ALVAREZHERRERA C. Temperature measurement of an axisymmetric flame by using a schlieren system[J]. Journal of Optics A Pure & Applied Optics, 2008, 10(10):104014. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=JJ0211040738
    [8] ALVAERZ-HERPE R A C, MORENO-HER NANDE Z D, BARRIENTDA-GADCTA B, et al.. Temperature measurement of air convection using a Schlieren system[J]. Optics & Laser Technology, 2009, 41(3):233-240. doi: 10.1063/1.2926987
    [9] MARTINEZGONZALEZ A, GUERREROVIRAMONTES J A. Temperature and velocity measurement fields of fluids using a Schlieren system[J]. Applied Optics, 2012, 51(16):3519-3525. doi: 10.1364/AO.51.003519
    [10] MARTINEZ-GONZALEZ A, MORENO-HERNANDEZ D, LEON-RDDRIGUEZ M, et al. Wide-range average temperature measurements of convective fluid flows by using a schlieren system[J]. Appl. Opt., 2016, 55(3):556-564. doi: 10.1364/AO.55.000556
    [11] 叶继飞, 洪延姬.轴对称流场的彩色纹影密度场定量测量[J].红外与激光工程, 2013, 42(12):3335-3338. doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2013.12.032

    YE J F, HONG Y J. Quantitative measurement of density by color schlieren based on axial symmetry field[J]. Infrared and Laser Engineering, 2013, 42(12):3335-3338.(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2013.12.032
    [12] 蒋冠雷, 洪延姬, 叶继飞, 等.彩虹纹影定量测量实验方法研究[J].装备指挥技术学院学报, 2012, 23(1):127-131. doi: 10.3783/j.issn.1673-0127.2012.01.028

    JIANG G L, HONG Y J, YE J F, et al.. Experimental investigation of the quantitative measurement by rainbow Schlieren[J]. Journal of Equipment Command and Technology College, 2012, 23(1):127-131.(in Chinese) doi: 10.3783/j.issn.1673-0127.2012.01.028
    [13] 孟晟.纹影定量化在火焰温度测量中的应用[D].杭州: 浙江工业大学, 2015. http://www.en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-LTLC201504009.htm

    MENG SH. Application of quantitative schlieren method in flame temperature measurement[D]. Hangzhou: Zhejiang University of Technology, 2015.(in Chinese) http://www.en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-LTLC201504009.htm
    [14] 孟晟, 杨臧健, 王明晓, 等.纹影定量化在火焰温度测量中的应用[J].实验流体力学, 2015, 29(4):65-69. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/ltlxsyycl201504009

    MENG SH, YANG Z J, WANG M X, et al.. Application of quantitative schlieren method in flame temperature measurement[J]. Jourmal of ExperimentS in Fluid Mechanics, 2015, 29(4):65-69.(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/ltlxsyycl201504009
    [15] 张俊, 胥頔, 张龙.基于BOS技术的密度场测量研究[J].实验流体力学, 2015, 29(1):77-82. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/ltlxsyycl201501012

    ZHANG J, XU D, ZHANG L. Research on density measurement based on background oriented schlieren method[J]. Jourmal of Experiments in Tluid Mechanics, 2015, 29(1):77-82.(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/ltlxsyycl201501012
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-12-17
  • 修回日期:  2018-02-28
  • 刊出日期:  2018-10-01

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