現代紋影技術研究進展概述①

白赫，劉思鵬，董雷

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?以紋影技術為基礎，對紋影技術的產生與發展進行了簡要介紹，說明傳統紋影技術與背景紋影技術的區別，并介紹了紋影技術在工程中的應用與理論研究，最后總結了紋影技術的特點，提出彩色紋影在流場測量中的可能性。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?紋影技術;傳統紋影;背景紋影;彩色紋影

[中圖分類號] ?TH744.3 ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ? [文章編號] ?2096-0603（2018）27-0022-01

一、紋影技術的產生與發展

（一）傳統紋影技術

傳統紋影技術以蓋斯定律為基礎，利用光的折射率梯度與氣體密度成正比，且待測氣體密度也可反映其溫度、壓力和成分分布等多種性質，通過觀察光的折射情況對流場分布進行非接觸測量。這種測量方法在1884年由Toepler首次提出，發展至今已有黑白紋影、彩色紋影、干涉紋影等多種測量系統。

按照光纖通過流場的方式不同，可將傳統紋影儀分成平行光紋影儀和錐形光紋影儀。由于錐形紋影儀中的測量光線會反復進過流場，形成實驗誤差進而造成圖像失真，所以在實際測量中多采用平行光紋影儀。根據平行光紋影儀的不同結構可分為透射式和反射式紋影儀。由于透射式紋影儀需采用曲率較大的透鏡，且對相差要求比較嚴苛，給加工和實驗帶來一定的困難。反射式紋影儀主要用于定性觀察，通常采用干涉的方式將定性觀察上升為定量分析。

（二）背景紋影技術

隨著對流場分布定量測量技術的發展和需求，Meier GEA等人經過長期實驗和理論分析后，利用粒子示蹤技術（PIV）和紋影技術實現了高速氣體流場分布的定量測量。較傳統紋影儀而言，背景紋影技術測量精度更高，且對光學器件的精密性要求大幅

降低，操作相對簡便。2003年，H Richard和Meier等人結合工程實例，從理論和實驗兩個方面說明了背景文印技術的原理及其正確性，隨后，Erik Goldhahn等人結合流場分布的特點，將背景紋影技術推廣到三維流場分布，結合實驗測量的結果與理論計算，通過計算機模擬的方式，繪制了流場的三維分布;在風洞和射流研究方面，Michael等人結合濾波技術對使用自然背景的可能性提出了理論研究與實驗分析。

二、紋影技術在相關領域中的應用

（一）紋影技術在測量火焰中的應用

紋影技術在測量燃燒過程中有著廣泛的應用，對火焰鋒面

的顯示來說，紋影技術是一種相對安全的非接觸測量手段。由于火焰鋒面不同位置處，周圍空氣密度分布不同，結合蓋斯定律，通過拍攝紋影照片并分析火焰鋒面不同位置的照度，可定量分

析出反應物與周圍空氣混合及氣團燃燒情況。在國內，東南大學張欣剛博士利用紋影技術研究了燃燒室預混燃燒的不穩定性，實驗采用高速攝像機記錄了火焰的運動，結合燃燒學的理論知

識驗證了燃燒產生的自激振蕩時，壓力振動頻率與熱釋放頻率

的一致性。楊藝和陳元迪等人結合分形理論，并以紋影技術為基礎，采用高速攝像的方式，分析了氫氣和空氣定容燃燒室內預混燃燒的過程。

（二）紋影技術在超聲場應的應用

陸彥邑等人采用紋影技術，根據水中聲波與光波作用的規

律，使用Zernike技術獲得超聲場在液體中分布的理論模型，再

通過與紋影系統獲得的超聲聚焦實時圖像比較，建立了超聲換

能器的空間聲壓分布;胡斌等人使用紋影技術觀察了聲光介質內

部聲壓分布，且可觀察到晶體內部折射率周期性分布圖像，計算超聲波在晶體內的傳播速率。

三、紋影技術的主要特點

紋影技術是一種非接觸法光學測量法，尤其在燃燒和熱質傳遞、超聲波聲場等相關領域研究中凸顯了其操作的簡便性與測量的準確性。隨著現代數碼技術的發展，背景紋影技術的準確性進一步提升，高像素照片為迭代窗口提供了更準確的分辨率。此外，彩色紋影技術也在國內外相關研究中有所體現。總體來講，紋影技術實現了對流場分布的實驗研究，將傳統的理論分析上升為可觀察、可測量的具有視覺性的新領域。

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