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类型云纹干涉法测量流体温度场的毕业设计说明书.doc

  • 上传人:无敌
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  • 上传时间:2018-04-18
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    1、清华大学 2012 届毕业设计说明书第 I 页 共 III 页云纹干涉法测量流体温度场的毕业设计说明书摘 要微细尺度对流换热温度场的光学测量技术是微细尺度传热学研究领域的重要研究内容,它可以为微细尺度传热学的实验研究提供有效的技术途径。本文针对微细尺度对流换热温度场的特点,提出了一种可用于微细尺度对流换热温度场测量的傅立叶变换莫尔偏折法。提高莫尔偏折法的测量灵敏度,是解决微细尺度对流换热温度场测量的关键。本文研究并探索了提高测量灵敏度的三个技术途径。研究了利用莫尔偏折法测量微细尺度对流换热流体温度场的基本原理,建立了该方法的几何光学和物理光学模型,分析并掌握了莫尔条纹的形成规律,讨论了实验装置

    2、中光学参数对莫尔偏折法测量温度的影响,提出了探测微细尺度热流场对光学参数的要求。最后,本文进行了实验验证,利用傅立叶变换莫尔偏折法测量了竖直加热细丝自然对流温度场。实验中不仅顺利地探测到了细丝加热前后莫尔条纹的变化,还得到了细丝周围流场的温度分布。实验验证表明,本文所提出的测量微细尺度对流换热温度场的傅立叶变换莫尔偏折法是可行的,所提出的提高微细尺度流场测量灵敏度的三种技术途径也是有效的,它将对微细尺度传热学的研究提供一种有效的实验方法。关键词:微细尺度传热学,莫尔偏折法,傅立叶变换,温度场测量。清华大学 2012 届毕业设计说明书第 II 页 共 III 页AbstractOptical f

    3、low visualization and measurement is one of the interesting fields in the experimental researches of heat transfer, especially in the field of mini/micro scale heat transfer. An optical method, Fourier Transform Moir Deflectometry, applicable to mini/micro scale heat transfer, is proposed in this pa

    4、per.In this paper, the researches are focused on the improvement of measurement sensitivity, so as to meet the needs of measurement for mini/micro scale fluid temperature distribution. Three approaches are presented. physical and mathematical models of Moir Deflectometry are investigated to make cle

    5、ar the rule of Moir fringes generation. Based on the investigation, it is pointed out how to select appropriate optical parameters to measure the teperature of mini/micro scale fluid. To verify the optical method, temperature distribution for natural convection around a vertical heated thin wire was

    6、 measured by Fourier Transform Moir Deflectometry. The small phase variation in moir fringes,when the thin wire was heated, was obtained successfully. Furthermore, the temperature distribution around the heated thin wire was finally determined. proposed in this paper is actually applicable to mini/m

    7、icro scale fluidtemperature measurement. The researches also showed that the three approaches to improve the measurement sensitivity work well. The optical method will be a useful experiment technique for mini/micro scale heat transfer.Key words: Mini/micro scale heat transfer, Moir Deflectometry, F

    8、ourier transform, Temperature measurement清华大学 2012 届毕业设计说明书第 III 页 共 III 页目 录1 高温云纹干涉法基本理论与研究概况 .11.1 引言 .11.2 云纹干涉法的基本原理 .11.2.1 基于空间虚栅概念的解释 .21.2.2 云纹干涉法的波前干涉理论 .31.3 云纹干涉法实验方法与技术 .51.3.1 双光束光路系统 .51.3.2 三反镜光路系统 .51.3.3 大准直镜光路系统 .61.3.4 光栅分光光路系统 .71.4 云纹干涉法在高温领域的研究概况 .91.5 小结 .112 莫尔偏折法测量流体温度场的基本原

    9、理 .122.1 格拉斯通戴尔(Gladstone-Dale)公式 .122.2 非均匀介质中光线的传播 .132.3 莫尔偏折法测温的基本原理 .132.4 傅立叶变换求取莫尔条纹相位的基本原理 .182.5 小结 .213 基于 MATLAB 的图像仿真得到相位的移动 .223.1 试验系统及其基本工作原理 .223.2 基于 MATLAB 的图像处理以获得相位变化 .223.3 总结 .27总结 .28参考文献 .29致 谢 .32清华大学 2012 届毕业设计说明书第 IV 页 共 III 页1 高温云纹干涉法基本理论与研究概况1.1 引言近二十年来,由于激光技术和近代光学和计算机技术

    10、的发展和推动及其在实验力学领域中的应用,产生了以全息干涉法、散斑干涉法、云纹干涉法和数字图象处理为主要研究和应用内容的“现代光测力学新领域” 。云纹干涉法是八十年代初兴起的一种具有非接触测量、可进行全场和实时分析的高灵敏度大量程的光学测量方法,通常使用频率为 6002400 线/mm 的高密度光栅,其测量位移灵敏度比传统的云纹法高几十倍甚至上百倍。由于云纹干涉法的上述优点,它己经受到了广大实验力学工作者的日益重视,并被誉为八十年代以来实验力学领域中的最重要发展。云纹干涉法是以试件表面的高灵敏度云纹光栅作为变形的传感元件的,因而高质量的高灵敏度云纹光栅及其复制也成为该方法推广应用的关键技术。近十

    11、几年以来,云纹干涉法的严格理论基础得到建立,光栅的制作技术也己经成熟。随着科学工程技术发展的需要,云纹干涉法在解决新材料性能研究、无损检测、细微观力学分析、三维变形测量、实时应变场测量、微电子封装热变形、高温材料变形测量以及现场条件下的变形测量等方面提供了极其有效的实验研究手段,并对材料科学、细观力学、断裂力学等相关学科的发展起到了积极的推动作用。本文主要工作着重于云纹干涉法测流体温度场,理解莫尔条纹的形成原理和莫尔条纹干涉法测量温度的原理后,对比不同的云纹干涉法应用实例,选择了激光云纹法实验装置,对云纹干涉法测流体温度场的理论进行了仿真说明。1.2 云纹干涉法的基本原理云纹干涉法在其发展历史

    12、上先后出现了两种解释,即基于空间虚栅的解释与波前干涉理论。前者借助了几何云纹法的基本思想,给云纹干涉法以简单描述;后者则从光的波前干涉理论出发对云纹干涉法进行了严格的理论推导和解释。清华大学 2012 届毕业设计说明书第 2 页 共 32 页1.2.1 基于空间虚栅概念的解释最常见的云纹干涉法光路是由云纹干涉法的创始人 D.Post 倡导的双光束对称入射试件栅光路,如图 1.1 所示。D.Post 最早对云纹干涉法的解释为:对称于试件栅法向入射的两束相干准直光在试件表面的交汇区域内形成频率为试件栅两倍( )的空间虚栅,当sf2试件受载变形时,刻制或复制在试件表面的试件栅也随之变形,变形后的试件

    13、栅与作为基准的空间虚栅相互作用形成云纹图,该云纹图即为沿虚栅主方向的面内位移等值线,并提出了类似于几何云纹的面内位移计算公式:(1-1) sXfNu2sXfv图 1.1 云纹干涉法的空间虚栅解释D.Post 对这一方法的理论解释是以传统的几何云纹概念为基础的,对建立清华大学 2012 届毕业设计说明书第 3 页 共 32 页有关云纹干涉法的一些基本概念是有帮助的,能够满足一般实验现象及实验结果处理的要求。但该解释并没有揭示云纹干涉法的物理本质,不仅不能正确解释实验中的某些重要现象,而且也约束了该方法的进一步发展。1.2.2 云纹干涉法的波前干涉理论从 1984 年起,戴福隆教授和 D.Post

    14、 等人对云纹干涉法进行了严格的理论推导和解释建立了云纹干涉法的波前干涉理论。图 1.2 云纹干涉法的波前干涉原理图如图 1.2 所示,当两束相干准直光 A、B 以入射角 ( 为光)arcsinf波波长,f s为试件栅频率)对称入射试件栅时,则将获得沿试件表面法向传播光波 A 的正一级衍射光波 A和 B 的负一级衍射光波 B。当试件未受力时,A 和 B均为平面光波。(1-2)aiexpbiB其中 , 为常数,a 为光波振幅。b当试件受力变形后,平面光波 A和 B变为和试件表面位移有关的翘曲波清华大学 2012 届毕业设计说明书第 4 页 共 32 页前,其位相也将发生相应的变化,翘曲波前 A和

    15、B可表示为:(1-3)yxiaBAba,(ep1 其中 , 分别为变形引起的正负一级衍射光波的位相变化,它们),(yxa),(b与试件表面 x 方向的位移 u 和 z 方向的位移 w 有如下关系:(1-4)sinco12),(, uyxba 正负一级衍射光波通过成像系统后,在照相底版平面上发生干涉,底版所记录的光强分布为:(1-5)yxaBAI ,cos120.11 其中 为常数, 。 可等价于刚ba0 sin4),(),(),( uyxba0体位移产生的均匀位相差。z 方向的位移 w 对光强分布的影响被消除。如果用波长数 n 表示相对光程变化,并考虑到光程与位相之间的关系(1-6)),(2)

    16、,(yxyx由此得到 x 方向面内位移 u 的表达式(1-7)sXfN2式中,N X是 u 场等位移条纹级数。类似地,采用 y 方向对称入射的双光束光路可以获得 y 方向面内位移 v 的表达式 清华大学 2012 届毕业设计说明书第 5 页 共 32 页(1-8)syfNv2到此,我们得到了云纹干涉法位移与条纹级数之间关系的全部表达式。根据位移场即可计算出应变场。(1-9))(41)(2121xNyfxvyuffxffxuysxy ysysy sxs 其中 为试件栅频率, , 分别为 u 场和 v 场位移条纹级数。sfxNy1.3 云纹干涉法实验方法与技术云纹干涉法光路系统的基本要求是保证对称

    17、入射到试件栅上两束等强度的相干准直光。经过十几年的发展,云纹干涉法的光路系统不断优化发展,有些已经仪器化。下面简单介绍几种典型光路及其各自特点。1.3.1 双光束光路系统图 1.3 是云纹干涉法最基本的双光束光路,具有光学元件少、操作简单等特点。该光路只能测量单方向位移场,而且反射镜要紧挨试件。在某些特殊情况下(如试件处于高温环境),反射镜不可能靠近试件,则不能使用该光路。清华大学 2012 届毕业设计说明书第 6 页 共 32 页图 1.3 基本的双光束云纹干涉法光路1.3.2 三反镜光路系统图 1.4 所示的光路是在图 1.3 中光路的基础上增加了两个反射镜,从而使得该光路可以同时测量双方

    18、向的位移场。它的缺点与图 1.3 的光路一样,三反镜必须靠近试件,这在特殊的测试条件下有时是不可能的。图 1.4 三反镜光路1.3.3 大准直镜光路系统图 1.5 所示的光路利用一个大准直镜产生一束面积较大的准直光,利用四个反射镜将其分为四束准直光(图中只画了竖直方向的光束,水平方向也可分为两束准直光),然后通过另外四个反射镜将四束准直光反射到试件表面。该光路可以同时测量双方向位移场,而且光学元件与试件有一定距离,可以用于高温等复杂条件下的变形场测量。该光路的缺点是需要一个大准直镜和较多的反射镜,这使得整个光路系统较为庞大、调节更为烦琐,而且大准直镜的加工也很困难。清华大学 2012 届毕业设

    19、计说明书第 7 页 共 32 页图 1.5 大准直镜光路1.3.4 光栅分光光路系统在图 1.6 所示的云纹干涉法光路中,准直激光束垂直入射到一个高频正交云纹光栅的表面,在互相垂直的光栅方向产生对称的士 l 级衍射光,利用四个反射镜将这四束衍射光反射到试件表面,这样即可同时测量 U、V 变形位移场。该光路结构紧凑,调节方便,适用于开发云纹干涉法的测试仪器。该光路的关键元件是分光光栅,要求具有很高的质量,以保证衍射的四束光仍然是准直光。通过调节四个反射镜的角度,可以改变入射到试件表面的激光束夹角,从而适用于不同试件栅频率的测量。该光路系统的光学元件和试件之间有一定的距离,可以用于处于复杂环境中(如高温环境)的试件变形测量。另外,利用微型马达驱动分光光栅,可以方便地实现云纹干涉法的相移技术,以提高测量的灵敏度和精度。

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