荧光微丝

荧光微丝显示技术测量对流层空气流场一、试验设计原理1、荧光微丝是一种含有荧光物质的尼龙丝或涤纶丝，在紫外光（波长为3370~3650）照射下，能产生明显的可见荧光。这样，本来细到难以识辨的微丝现在变成了很亮的可见“光”线。其“光”线直径与原来的物理直径相比明显的增加了，因此便于观察与照相记录。由于微丝内含有不同的荧光物质，所以它可以显示出不同的颜色，例如蓝色、黄绿色、绿色等。微丝本身的尺度很小，其直径约为0.01~0.02毫米，重量极轻，一根1米长的微丝仅重0.05毫克，所以它可以像空气中的尘埃一样飘浮在空气中，跟随其流运动以此显示其流的绕流形态。由于荧光与其它可见光（日光、灯光）相比，他的亮度是较弱的，因此为了便于观察和照相记录，要求实验是具有比较黑暗的实验条件。例如在白天实验时，可以拉上黑色窗帘。当进行观察或摄影时，其背景应呈现黑色，因此通常模型要涂以无光黑漆。2、对流层是地球大气层靠近地面的一层。它同时是地球大气层里密度最高的一层，它蕴含了大气层约75%的质量，以及几乎所有的水蒸气及气溶胶。在对流层内，按气流和天气现象分布的特点又可分为下层、中层和上层。二试验设计方案1、丝线的制成常规丝线法的丝线较粗、对气流干扰较大，一定程度上影响试验结果的准确度和可靠性。荧光微丝显示技术的丝线直径要足够小但又不能影响视觉观察和拍摄效果，这就对丝线的尺寸和荧光性提出了较高要求。同时丝线要尽量柔软，才能对气流有较好的跟随性，能较真实反映流场气流流动。参照文献[3,4]选择直径及材质较适宜的丝线，如表1所示。通过反复对比各种颜色荧光粉的观察和拍摄效果，认为黄绿色荧光粉发出的荧光效果较好，因此选择黄绿色荧光粉将表1所示的丝线制成荧光微丝。表1多种类型荧光微丝的直径及材质Table1Thediametersandmaterialsofvariousfluorescentmini-tufts丝线编号S1-1S1-2S2-1S2-2S3-1S3-2S4-1S4-2直径/mm0.240.240.150.150.100.100.040.04材质棉涤纶棉涤纶棉涤纶棉涤纶2、丝线的粘贴粘贴前要对荧光微丝进行一些必要的处理：利用柔软剂对丝线进行柔化处理，进一步增强丝线的柔软度，并能使丝线表面变得更加顺滑，减少出现抽丝及相邻丝线相互缠绕的情况；通过抗静电处理，防止试验中丝线与气流摩擦时产生静电，避免丝线相互吸附或吸附于模型表面。3、粘贴技术试验模型表面通常较光洁，而固体粘贴剂和液体粘贴剂极易影响模型表面的粗糙度甚至改变模型的局部外形。经过大量的试验尝试，最终采用特制的厚度仅为10μm、宽度为10mm的超薄胶带粘贴丝线，其表面光洁度与模型表面基本一致，能够较好保持模型的表面精度，且由于其厚度远小于边界层厚度，对流场的影响可以忽略。4、光源利用紫外光源照射丝线发出荧光，要求紫外线波长与丝线所含的荧光物质的吸收波峰相匹配。研究表明荧光物质在长波紫外线(波长为320~400nm)照射下会发出一定的可见光，其中波长为365和395nm紫外光所产生的荧光效果较其它更明显。通过表2中几种不同的紫外线灯，研究主波长及功率对荧光效果的影响。5、拍摄技术为增强拍摄效果，使用高清数码相机和高清数码录像机进行流场显示的拍摄，研究各项参数对拍摄效果的影响。由于紫外光源发出的光线中含有较多的紫光，会对现场荧光加以遮饰，所以首先要调节色温过滤大量的紫光，光圈、曝光时间等要根据具体试验条件及所观察流动状态确定。周围环境不宜太亮以免影响观察和记录，拍摄时关掉洞内照明灯，并用遮光布阻挡洞外可见光的进入。6、将制作好的荧光微丝放在气象塔上，测量对流层的空气流场，并做记录。三、实验误差分析1、荧光微丝制作没有达到要求，导致误差。2、拍摄时，周围环境的影响导致误差。四、结论进行了荧光微丝法测量对流层空气的流场，包括丝线的制作、粘贴方法的研究、光源的选择、照相摄像的方法等。五、参考文献[1]惠增宏,侯金玉,邓磊等.荧光微丝在低速风洞试验中应用的关键技术研究[J].实验流体力学,2015,(1):92-96.DOI:10.11729/syltlx20130117.[2］范洁川．流动显示技术的若干现状与发展［Ｊ］．气动试验与测量控制，1995，9(1)1017．[3]徐晋,谢品华,司福祺等.利用多轴差分吸收光谱技术反演对流层NO2[J].光谱学与光谱分析,2010,30(9):2464-2469.DOI:10.3964/j.issn.1000-0593(2010)09-2464-06.[4]吴根兴，汪子兴．观察物体表面附近流谱的新方法———萤光微丝法［Ｊ］．南京航空航天大学学报19804：102110．[5]汪子兴，吴根兴．萤光微丝法—观察物体表面附近流谱的新方法［Ｊ］．力学与实践，1982，2：5558．