粒子成像測速

1、粒子成像測速 粒子成像測速（ParticleImageVelocimetry,PIV）作為一種新的流場測試技術(shù)，不同于傳統(tǒng)的熱線、探針、雷達等測速方法，是能夠在不擾亂流場的情況下（非介入），迅速地捕捉到整個流場速度信息的測量技術(shù)。它的出現(xiàn)為復(fù)雜流場的研究提供了更直接有效的方法。本PPT主要介紹了粒子成像測速方法的工作原理，核心技術(shù)，討論了PIV 技術(shù)的發(fā)展趨勢。 PIV作為一種非介入式全場技術(shù)，是從80年代初第一次在文獻中出現(xiàn)后開始發(fā)展的。起初的PIV技術(shù)應(yīng)該說是從激光散斑干涉測量技術(shù)發(fā)展而來的。激光散斑干涉技術(shù)（Laser Speckle Interferometry）原先是用于工程結(jié)構(gòu)中的

2、，可以檢測復(fù)合材料材料的變形，得到材料的熱膨脹系數(shù)。其基本原理是通過雙曝光得到散斑圖，經(jīng)圖像處理后提取出所需要的信息。在過去20多年里，隨著光學(xué)，激光，電子，攝像和計算機科學(xué)技術(shù)的進步，PIV經(jīng)歷了從模擬技術(shù)到數(shù)字技術(shù)的轉(zhuǎn)變，已經(jīng)發(fā)展成為一種比較成熟的具有自己特色的流場測試方法。下圖所示是光學(xué)速度測量技術(shù)的進展，可以看出，光學(xué)測量是從單點到二維再到三維的實現(xiàn)。隨著技術(shù)的進步，利用立體、多域、全息甚至是斷層技術(shù)來實現(xiàn)復(fù)雜流場的全場觀測已經(jīng)成為可能。關(guān)鍵詞：粒子成像測速（PIV）；光學(xué)測量 PIV是一種基于光學(xué)的速度測量技術(shù)，主要是通過在流體中加入跟隨流體運動的示蹤粒子，這些粒子在流經(jīng)一個特定平面

3、時被連續(xù)照亮兩次，利用照相技術(shù)將被照亮的粒子記錄起來，通過圖像的后處理，就能夠得到粒子在兩次照亮的時間間隔中的位移，從而得出流體的速度場。 PIV系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分主要包括控制電路、CCD(CMOS)相機、光源、圖像采集電路、采集圖像所用的計算機和抓取同步信號的計算機等。軟件部分包括系統(tǒng)的控制軟件和分析軟件?？刂栖浖饕ㄟM行圖像采集的控制程序和同步程序以及比例標定程序。分析軟件由兩部分組成：一部分是粒子圖像處理和分析，第二部分是流場速度矢量的實現(xiàn)和修正。 下圖是PIV應(yīng)用的簡單原理圖。散播在流場中的跟隨性及反光性良好的示蹤粒子，由激光光束首先入射到一組球面透鏡上，經(jīng)聚焦后

4、通過全反射鏡至一組可調(diào)的柱面透鏡形成具有一定厚度的片光，照亮流場中特定的區(qū)域，此時經(jīng)過此區(qū)域的示蹤粒子被照亮，通過CCD（CMOS）成像設(shè)備進行成像。對這個特定的區(qū)域在一定時間間隔內(nèi)利用激光脈沖連續(xù)照亮兩次，就能得到粒子在第一次照亮?xí)r間t 和第二次照亮?xí)r間t的兩個圖像，對這兩幅圖像進行互相關(guān)分析,就能得到流場內(nèi)部的二維速度矢量分布。 我們可以簡單的對其數(shù)學(xué)模型進行描述。假設(shè)流場中某一示蹤粒子在二維平面上運動，其在x，y 兩個方向上的位移隨時間的變化為x(t),y(t),是時間t 的函數(shù)，那么，該示蹤粒子所在處的流體質(zhì)點的二維流速可以表示為公式2.1 PIV技術(shù)就是通過測量示蹤粒子的瞬時平均速度

5、實現(xiàn)對二維流場的測量。左圖是單個流體質(zhì)點的位移示意圖，右圖是示蹤粒子移動示意圖，通過測量多個示蹤粒子的瞬時平均速度就可以實現(xiàn)對二維流場的測量。 PIV 系統(tǒng)在對流場速度進行測試時，實際上是通過測量流場中示蹤粒子的位移來間接得到流體質(zhì)點的位移，從而推算出質(zhì)點的瞬時速度，得到流場信息。因此，示蹤粒子是否能夠準確的反映實際流體質(zhì)點的位置決定了PIV測試系統(tǒng)的準確性。如果流體的密度同示蹤粒子的密度不相同，就會由于重力的影響而對測量結(jié)果造成誤差。因此示蹤粒子必須要足夠小，才能保證良好的跟隨性，但是又不能太小使其光反射性能無法滿足相機的要求，而降低了其成像可見性。 在實際的應(yīng)用中,根據(jù)所使用PIV設(shè)備參數(shù)

6、（激光強度，照機分辨率等）和測量流場的具體情況，選擇適合于具體問題的示蹤粒子來得到較好的圖像質(zhì)量，才能通過圖像后處理，提取出比較精確的測量結(jié)果。目前國內(nèi)外很多人都對各種不同類型的粒子進行了廣泛的研究，使得各領(lǐng)域流場測試結(jié)果更精確，更符合實際流場情況。根據(jù)示蹤粒子的不同，應(yīng)用于空氣流中的散播設(shè)備可大致分為三種：一種是用來產(chǎn)生油粒子的，其核心部件是拉斯金噴（Laskin nozzle）；一種是適用于固體粉末的，利用噴霧器來形成具有均勻粒子的噴霧；還有一種是用來產(chǎn)生皂泡的系統(tǒng)，皂泡的運用能夠增大觀察區(qū)域（FOV）。 示蹤粒子投入到流場中后，必須被照亮后才能被相機記錄下來，因此對流場的照明也是PIV

7、核心技術(shù)之一。而激光作為一種高能量密度的單色光源，能夠輕松地匯集成質(zhì)量較好的薄光片照明流場而不產(chǎn)生色差，是適用于PIV優(yōu)質(zhì)光源。根據(jù)不同的應(yīng)用場合，可以選取不同的激光來更好的實現(xiàn)，一些經(jīng)常被選用的激光如下：氦-氖激光（=633nm）、銅蒸汽激光（=510nm,578nm）、氬離子激光（=514nm,488nm）、紅寶石激光（=694nm）以及半導(dǎo)體激光。 激光在產(chǎn)生后通過一些光學(xué)鏡的反射、折射后，匯集成所需強度的激光束，這一激光束再通過一些按照一定順序和規(guī)律排列的光學(xué)透鏡，最終形成照亮觀察區(qū)域的片光。下圖為利用透鏡形成片光的原理圖。 PIV 的圖像記錄方式可以分為兩大類：單幀/多曝光PIV(

8、single frame /mu lti - exposure PIV)和多幀/ 單曝光PIV（multi - frame/ s ingle exposure PIV），如圖所示。單幀/多曝光PIV通過在很短的時間內(nèi)照相，獲得明顯的流線斑圖，再通過圖像處理，就能得到流場信息。但這種方式仍然存在一些缺陷，在對其進行處理時比較復(fù)雜。相反，隨著數(shù)字圖像記錄方式的進步，多幀/單曝光PIV顯示出其獨特的優(yōu)勢，在高速甚至高超音速的領(lǐng)域有更好的表現(xiàn)。 通過相機采集到PIV圖像后，就要利用合適的算法將圖片中的有用信息提取出來（主要是粒子的位移）。當(dāng)粒子濃度較低時，因為可以肉眼分辨出每一個粒子，就能夠利用手動的方式來提取出粒子位移參數(shù)，這種建立在低密度情況下的形式可以形象的表述為對粒子的追蹤辦法，因此可稱為“粒子追蹤測速”（PTV）。這種方法一般是在早期計算機技術(shù)不發(fā)達的時候所采用的，如今計算機強大的計算能力使得自動和快速的得出流場信息成為了可能。如今的PIV算法，大部分都是采取互相關(guān)技術(shù)，這種算法主要是用來對單幀/ 多曝光PIV圖像進行處理，PIV Challenge還對粒子跟蹤技術(shù)和互相關(guān)算法進行