现代化工

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (6) : 21-25. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.06.004

技术进展

聚焦纹影技术研究进展

李春利 ¹^,² ,
陈昊云 ¹ ,
王晨希 ¹ ,
刘加朋 ¹^,²^,^*

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Research progress on focusing schlieren technology

Chun-li LI ¹^,² ,
Hao-yun CHEN ¹ ,
Chen-xi WANG ¹ ,
Jia-peng LIU ¹^,²^,^*

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摘要

简述了纹影技术的发展与应用,介绍了聚焦纹影关键技术的进展。讨论了聚焦纹影技术的原理、发展与应用,展示了其在实验流体力学、空气动力学和其他科学领域的重要作用,总结了其在科学、技术层面上的优缺点,对将来发展方向提出建议。通过系统综述纹影技术的发展历程、原理、应用及其最新进展,期望能够为相关领域的具体研究提供有价值的指导和启示。

Abstract

The development and application of schlieren technology are briefly described,and the progress on key focusing schlieren technologies is introduced.The principle,development and application of focusing schlieren technology are expounded,and its important roles in experimental fluid mechanics,aerodynamics and other scientific fields are displayed.The advantages and disadvantages of focusing schlieren technology in science and technology are summarized,and the development directions in the future are suggested.Through systematically reviewing the development history,principle,application and latest progress of schlieren technology,it is expected to provide valuable guidance and enlightenment for specific research in related fields.

Graphical abstract

关键词

纹影技术 / 纹影技术改进 / 纹影技术应用 / 聚焦纹影

Key words

schlieren technology / schlieren technology improvement / application of schlieren technology / focusing schlieren

Author summay

李春利(1963-),男,博士,教授,研究方向为化工分离工程,lichunli-hebut@126.com。

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李春利,陈昊云,王晨希,刘加朋. 聚焦纹影技术研究进展[J]. , 2025, 45(6): 21-25 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.06.004

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纹影技术是由19世纪德国物理学家August Toepler创立的光学方法,通过检测透明介质中的折射率变化来研究流体现象,其起源于气体流动观测,现已发展成为流体力学及多学科领域的重要可视化工具。纹影成像基于对介质中由密度、温度或压力变化引发的折射率微小变化的高灵敏度,通过捕捉此类差异可揭示流体流动、激波及热梯度等细节,使其在流体力学、燃烧研究及化工等需解析流体行为的领域具有重要价值。光学元件、数字成像及计算技术的进步提升了纹影系统的多功能性和精度。从传统刀口滤波器发展至结合数字滤波与计算流体力学的现代系统,该技术持续满足科研需求,至今仍居实验流体力学前沿,为复杂物理过程提供独特解析视角。

纹影技术凭借高灵敏度捕捉流场细微变化的能力,成为研究流体运动、燃烧反应及流场现象的重要实验工具。19世纪末,Mach与Salcher利用该技术首次揭示超声速规律:当抛射体速度超过声速时,其前方形成空气压缩边界,尾部出现云状射流结构。随后Dvo ák开发出简易“纹影观察新形式”,由Weinberg定名为“阴影技术”,推动该技术在全球实验室普及。2001年Settles系统梳理了纹影/阴影技术的演进历程、成像原理、设备构成及多领域应用。国内纹影技术应用始于20世纪80年代,南京理工大学冯天植团队^[1]、北京空气动力研究所李素循团队^[2]及中国空气动力研究与发展中心吴继飞团队^[3]等利用该技术开展超声速流动流场可视化研究,系统分析了不同测试条件下激波生成、剪切涡旋的产生/脱落及演化等流场内部复杂结构。

本文中对纹影技术中聚焦纹影技术的原理、发展与应用等方面进行阐述,并总结该技术目前的优缺点,为进一步发展提出建议。

1 纹影技术原理

纹影技术通过检测透明介质中因密度、压力、温度或组分变化引起的折射率梯度,实现流动可视化。其核心原理基于光线偏折效应,可清晰呈现激波、湍流、边界层等流动特征,广泛应用于流体力学(含空气动力学)及传热领域的研究与分析。

如图1所示^[4],纹影系统以准直光源发射光束穿透测试区域的透明介质,介质因密度、温度等特性变化引发的折射率梯度会使光线偏折。凹面反射镜将偏折光聚焦至焦平面刀口,刀口选择性截断部分光线,在成像面形成明暗对比。最终图像中亮度变化直接映射介质物理属性的局部差异。

纹影技术的理论框架基于基本的光学原理和方程。根据斯涅尔定律:

(1)$n_1\sin\theta_1=n_2\sin\theta_2$

描述了光线在不同折射率的介质之间转换时的折射。其中,n₁、n₂为不同介质的折射率;θ₁、θ₂分别表示入射角和折射角。

纹影成像的关键在于折射率梯度,表达式为:

(2)$\nabla n=(\partial n/\partial x,\partial n/\partial y,\partial n/\partial z)$

这个梯度决定了光线偏折的程度,梯度越大,光线偏折越显著。光线的偏转角δθ可近似为:

(3)$\delta\theta\approx(\partial n/\partial x)(L/n)$

其中,L是光线在介质中的传播路线长度。这个关系表明偏转角与折射率梯度之间的直接比例关系。

到达接收器的光强变化受折射率变化δn的影响,表达式为:

(4)$I=I_0(1-\partial n/n)$

其中,I₀是光源的初始强度。这个公式说明了观察到的光强变化与介质内部折射率波动之间的相关性。

纹影图像中明暗区域对应介质折射率梯度分布:尖锐暗线表征激波(密度/压力突变),波状条纹反映热羽流(冷暖气团运动),混沌斑纹揭示湍流(流体不规则混合)。通过解析图像特征,可提取介质物理属性及动态行为信息,使纹影技术成为实验流体力学等领域的核心分析工具。

2 聚焦纹影技术

2.1 聚焦纹影技术原理

如图2所示^[5],聚焦纹影系统光路由准直光束经透镜组穿过被测流场,聚焦于刀口栅平面(含光学截止装置)。刀口栅通过选择性截断因折射率变化而偏折的光线,在焦平面形成与流场梯度对应的光强调制。最终通过成像系统(如相机)记录明暗分布,直接映射流场内的折射率梯度空间特征。

聚焦纹影相比传统方法具有3方面优势:①透镜组显著提升空间分辨率,利于解析小尺度流动结构;②系统灵敏度可调,通过优化光路配置可捕捉微小密度/压力/温度梯度变化;③系统灵活适配多实验场景及光源(含激光),增强成像可控性,适用于复杂流场诊断需求。

2.2 聚焦纹影技术发展与应用

2.2.1 超声速流场观测

聚焦纹影技术可在垂直于光轴的特定平面内高精度呈现超声速流场细节,通过消除非均匀流场干扰,精准捕捉波系结构、马赫盘等关键特征,专用于超声速流场的精细化观测分析。王定奇^[6]构建了由3D打印收缩喷管组成的超声速流动实验台及基于LED光源、菲涅耳透镜与胶片打印改造格栅的小型聚焦纹影系统。实验表明,当喷管出口竖直/横向流场处于系统锐利景深范围内时,聚焦纹影能清晰捕捉马赫盘等特征(背景虚化周围流场),验证了系统小景深特性。通过与Fluent模拟的喷管出口截面马赫数云图对比,证实实验与仿真流场分布高度一致。相较于传统纹影,该技术通过选择性虚化垂直气流扰动,精准突显目标区域的波系结构等流动细节。

Garg等^[7]将聚焦纹影技术与光学偏转测量结合,开发出低成本、非侵入的超声速湍流边界层密度梯度波动局部检测方法。实验显示,该技术测得的光学密度梯度功率谱与热线风速仪的质量通量波动功率谱高度吻合,验证了其局部测量能力;测得的大尺度结构对流速度与边界层平均速度分布一致,平均结构角度为55°~72°。通过VITA技术(variable-interval time-averaging,即可变间隔时间平均)进一步证实了该方法的局部解析优势,但需注意其可能对某些流场存在景深聚焦限制。

Chen等^[8]基于光学传递矩阵与射线追踪法,构建了包含源网格、测试段、场透镜、截止网格及成像平面的聚焦纹影系统数值模型。系统通过场透镜将源网格成像至截止网格,并将测试段物平面映射至图像平面,场透镜参数及3种不同LPF(line pair frequency,截止网格线对频率)的截止网格,如图3所示。模拟采用高超声速边界层DNS数据,结合Dale-Gladstone关系计算折射率。结果表明,系统灵敏度由最小可检测偏转角ε_min表征,通过调整截止网格位移量D_s(如D_s=0.5D_LPF对应50%截止灰度图像,见图4)或LPF值可调节灵敏度——D_s越小灵敏度越高(但受衍射限制),LPF过高则引发“跳条纹”现象;景深(DOF)与流场特征长度呈线性关系(图5),浅景深实现准二维流场表征;聚焦纹影图像可通过高斯滤波近似处理,空间相关系数(CCs)验证了系统沿z轴截面成像的准确性。

2.2.2 风洞观测

在激波风洞流场可视化中,聚焦纹影能观察流场结构,实现密度定量测量。Bathel等^[9]和Joshua等^[10]开发了一种基于光偏振调控的紧凑自对准聚焦纹影系统,通过单网格同时实现源/截止功能,无需独立网格,简化实验架构。以氦气射流为测试对象,该系统可清晰解析亚毫米尺度湍流结构,且在存在观测窗口时仍保持低噪声特性,为风洞流场可视化提供了高效便捷的测量工具。

2009年,徐翔等^[5]设计了以密度场定量测量为目的的聚焦纹影系统,包括菲涅耳透镜、源格栅、刀口栅、聚焦透镜和照相装置等部分。通过原理性验证试验和在激波风洞中的应用研究,证明了该系统灵敏度高,能清晰反映流场结构,且不受激光光源衍射和干涉噪声干扰。

2013年,谢爱民等^[11]基于聚焦纹影原理构建流场密度定量数学模型,通过分析图像灰度变化可提取聚焦区域密度值。系统参数中锐聚焦深度 DS=4.6 mm,非锐聚焦深度DU≈50 mm。利用自研图像处理程序对多幅纹影图进行密度解析,结果显示实测密度变化趋势与数值模拟高度吻合,验证了聚焦纹影技术定量测量流场密度的有效性。

2018年,谢爱民等^[12]提出一种无菲涅耳透镜的改进型聚焦纹影系统,采用拼接点阵光源实现成像(图6~图8)。光路仿真与原理实验表明,该系统流场图像清晰度、聚焦深度及灵敏度与传统菲涅耳透镜系统相当。虽存在光源功率损耗较高的问题,但高功率LED/激光光源可满足成像面光强需求。未来通过取消成像屏、增设聚光镜等措施,有望进一步提升分辨率并降低功耗。

2.2.3 燃烧状态研究

Kouchi等^[13]开发了景深±5 mm的聚焦纹影系统,应用于模拟5马赫飞行条件(滞止温度1 200 K)的电加热风洞,成功实现双模态超燃冲压发动机流场可视化。冷流实验中可清晰捕捉冲击波、膨胀波及湍流特征;高温工况下通过调节截止网格位置补偿窗口热畸变引起的灵敏度下降。该系统还成功记录了燃料-空气混合气点火与燃烧过程的流场动态变化,包括射流体积膨胀、分叉激波生成及湍流增强等现象。

Förster等^[14]在连接管测试设施中结合壁压测量、火焰可视化与聚焦纹影成像技术,研究超声速与双模态燃烧界面特性。通过调节燃料当量比切换燃烧状态,基于燃烧室壁压分布初步划分4类燃烧模式,但单独壁压数据分类精度不足,需结合纹影图像与火焰形态特征实现精准辨识。

2.2.4 射流研究

在射流观察方面,能详细观测射流的形成、发展和扩散过程及其与周围环境的相互作用。Weinstein^[15]使用聚焦纹影设置研究2个交叉射流的流动以及2马赫射流,并与传统纹影和阴影图进行对比,传统纹影和阴影图无法分辨射流前后和中心的流场特征,内部流场不清晰,聚焦纹影能更好地显示射流内部冲击特征,且能表明流场中心部分没有湍流特征。

Raghu等^[16]利用聚焦纹影技术结合漫射光源与源/截止网格对,实现了高速发光等离子射流(由商用等离子枪生成,出口直径6 mm,氩气流量40 L/min,电流450 A,电压40 V)近场结构的可视化。实验中采用EG&G频闪光源与CCD相机,通过触发延迟控制实现短于20 μs的曝光,有效抑制射流自发光及外壳对流电流干扰。结果显示,截止网格显著削弱发光噪声,清晰呈现射流不稳定性、核心高温等离子体在末端的“熄灭”现象,以及周围鞘层因传导加热对射流的影响。该技术可拓展至热喷涂等高温流场成像,但需区分热传导效应与射流混合/夹带导致的密度梯度叠加对图像解译的影响。

Weisberger等^[17]开发了共线聚焦激光差分干涉仪(FLDI)与自对准聚焦纹影(SAFS)联合系统,实现流场密度梯度同步测量。对比显示,SAFS系统的聚焦能力与焦距f=20 mm的FLDI系统相当;通过功率谱密度(PSD)和频谱本征正交分解(SPOD)分析压缩空气射流数据,证实2系统在射流声学频率检测方面具有一致性。

2.2.5 其他领域应用

2018年,Martínez等^[18]使用基于离轴圆形照明的聚焦纹影系统,测量了从商用热风枪焊接喷嘴喷出的热空气的温度,在不同温度和不同径向位置的平面上进行了测试,该方法获得的温度值与热电偶测量结果相符,相对误差在0.5%~13.6%,还计算了温度测量的不确定性。该技术可获得约0.4 mm的窄景深,用于流体流动中的平面温度测量。

2021年,Martínez等^[19]开发了一种基于透镜色差效应的多平面温度测量聚焦纹影系统:采用RGB离轴照明与未校正色差透镜,通过色散形成3个窄景深测量平面(对应相机RGB通道)。通过像素强度-截止网格位置校准实现温度量化,以热空气射流为对象验证显示,三平面同步测温结果与热电偶数据吻合(相对误差<7.6%)。该方法适用于非对称流动表征,但易受流体波动、光学像差等因素干扰,未来将优化以提升不同场景测温精度。

2.3 聚焦纹影优缺点及改进方向

2.3.1 聚焦纹影优点

聚焦纹影技术相较于传统纹影方法具有显著的技术与科学优势。技术层面,通过扩展光源与精密光学截止装置的结合,克服了传统纹影视野受限的问题,能够捕捉大范围流场(如激波、边界层等宏观现象),同时显著提升空间分辨率,可解析小尺度湍流和复杂流动结构的细微折射率梯度变化。系统灵活性方面,聚焦纹影降低了对光路严格对准的要求,适配多样化的实验场景,并可结合校准算法与计算技术实现折射率梯度的定量分析(如温度、浓度梯度的精确测量)。科学应用层面,该技术不仅能够清晰呈现三维动态流场(如热羽流、激波相互作用),还具备实时成像能力,适用于爆炸、燃烧等瞬态过程的观测;同时保留非侵入性特性,避免对流场产生干扰。这些优势使其在空气动力学、流体力学及热力学等领域的基础研究与工程应用中展现出不可替代的价值。

2.3.2 聚焦纹影缺点

聚焦纹影技术虽具优势,但仍存在技术及科学层面的局限性。技术层面,其系统搭建复杂度高且成本昂贵,需依赖高精度光学元件(如透镜、反射镜及精密截止装置),这对小型实验室或教育机构构成应用门槛;同时,光源与截止元件的精细对准要求苛刻,任何偏差均可能导致图像质量下降与灵敏度损失。此外,系统易受振动、气流及温变等外部干扰,引入噪声或畸变,影响数据可靠性。数据处理方面,尽管支持定量分析,但需依赖复杂算法与严格校准(如将亮度/色彩映射为温度、密度等物理量),流程耗时且对计算能力要求较高。科学应用层面,该技术仅限于透明或低散射介质的折射率梯度观测,无法应用于不透明或高散射介质研究;图像解译需结合专业知识,尤其在区分多重密度梯度成因(如热传导与流动混合效应)时存在挑战,限制了在复杂流场中的普适性。

2.3.3 聚焦纹影改进方向

聚焦纹影技术近年在光学设计、数字成像与计算分析领域取得显著进展:现代系统集成高速相机及LED/激光光源,实现复杂动态流场的高分辨率实时捕捉,极大拓展了技术适用边界。然而,其应用仍受限于高成本、系统搭建复杂性及专业数据处理门槛,当前研究聚焦于定量化精度提升与新领域适应性扩展。针对未来改进方向,建议从多维度优化:技术层面,开发基于计算机视觉与自动调节的校准系统,降低人工对准难度并提升可重复性;融合CFD/PIV等互补技术,通过实验-模拟协同深化流动机理认知;设计动态可调光源/截止元件(如实时模式切换结构),增强灵敏度与分辨率灵活性。数据处理层面,开发集成机器学习算法的智能分析软件,实现折射率梯度自动提取与多源数据融合,提升定量分析效率及用户友好性。系统架构层面,构建紧凑模块化装置以降低部署成本,推动该技术在工业检测、生物流体等新兴场景的普及应用。

3 总结与展望

纹影技术作为关键流场可视化手段,在航空航天、能源、环境等多领域发挥重要作用,其聚焦分支通过简化测量架构显著提升了灵活性与精度。未来发展方向将聚焦5大维度:技术升级,持续提升分辨率与测量精度,支撑微观流场精细化研究;多模态融合,结合PIV、PLIF等技术实现三维流场重构与多参数同步测量,深化流动特性解析;实时化控制,开发流场动态监测与反馈系统,优化工业流程与实验设计;跨领域拓展,向化工、材料科学等新兴领域渗透,开拓高温反应流、微纳流体等研究场景;智能化转型,集成AI算法与自动化技术,实现图像智能解析与数据高效处理。随着技术迭代,纹影技术将持续为多学科前沿研究提供创新工具,推动流体力学及相关领域实现突破性进展。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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