第06章流速測量3-(PIV)

1、第第6章章 流速測量流速測量測壓管與測速技術(shù)測壓管與測速技術(shù)熱線熱膜風(fēng)速儀熱線熱膜風(fēng)速儀激光多普勒測速技術(shù)激光多普勒測速技術(shù)粒子圖像測速技術(shù)粒子圖像測速技術(shù)第第6.4節(jié)節(jié) 粒子圖象測速技術(shù)粒子圖象測速技術(shù)(PIV)n概念：利用粒子的成像來測量流體速度的概念：利用粒子的成像來測量流體速度的這一類這一類技術(shù)，均可稱為技術(shù)，均可稱為粒子圖象測速技術(shù)粒子圖象測速技術(shù)。PIV(Particle Image Velocimetry)nPIV用于測量二維平面整個(gè)速度場上的用于測量二維平面整個(gè)速度場上的速度矢量速度矢量。一個(gè)速度矢量可用一根箭頭來表示，其中一個(gè)速度矢量可用一根箭頭來表示，其中箭頭的箭頭的大小大

2、小表示流動(dòng)速度的大小，表示流動(dòng)速度的大小，箭頭的方向箭頭的方向表示該點(diǎn)表示該點(diǎn)流動(dòng)速度的方向。流動(dòng)速度的方向。-metry comb. 構(gòu)成構(gòu)成名詞，表示名詞，表示“測量學(xué)、測量學(xué)、度量學(xué)度量學(xué)”Velocimeter:速度計(jì)速度計(jì),速度表速度表Velocimetry:測速測速PIV的特點(diǎn)的特點(diǎn)n瞬態(tài)流場測試瞬態(tài)流場測試n對(duì)于燃燒火焰、自然對(duì)流等典型的瞬態(tài)流場。單點(diǎn)測量不對(duì)于燃燒火焰、自然對(duì)流等典型的瞬態(tài)流場。單點(diǎn)測量不可能達(dá)到測量的目的?？赡苓_(dá)到測量的目的。n流動(dòng)空間結(jié)構(gòu)流動(dòng)空間結(jié)構(gòu)n在同一時(shí)刻記錄下整個(gè)信息場才能看到空間結(jié)構(gòu)。在同一時(shí)刻記錄下整個(gè)信息場才能看到空間結(jié)構(gòu)。n只有通過諸如只有通

3、過諸如PIVPIV技術(shù)才可能獲得流動(dòng)中的技術(shù)才可能獲得流動(dòng)中的小尺度結(jié)構(gòu)小尺度結(jié)構(gòu)的的圖像。圖像。n某些穩(wěn)定流場的測試需要某些穩(wěn)定流場的測試需要n穩(wěn)定流動(dòng)穩(wěn)定流動(dòng)指的就是指的就是脈動(dòng)速度脈動(dòng)速度與與平均速度平均速度相比很小的流動(dòng)。相比很小的流動(dòng)。n比如狹窄流場，其流動(dòng)本身是穩(wěn)定的，但由于流場狹小，比如狹窄流場，其流動(dòng)本身是穩(wěn)定的，但由于流場狹小，激光多普勒測速激光多普勒測速(LDV)(LDV)的分光束難以相交成可測狀態(tài)，而的分光束難以相交成可測狀態(tài)，而熱線風(fēng)速計(jì)熱線風(fēng)速計(jì)(HWFA)(HWFA)又會(huì)破壞流場的狀態(tài)。又會(huì)破壞流場的狀態(tài)。源密度源密度n源密度定義源密度定義式中式中C - 粒子濃度粒

4、子濃度 Z0 - 片光源厚度片光源厚度M - 照相機(jī)的放大率照相機(jī)的放大率de - 底片上粒子像的直徑底片上粒子像的直徑n源密度的物理意義源密度的物理意義在一個(gè)與粒子等直徑、高為片光源厚度在一個(gè)與粒子等直徑、高為片光源厚度 Z0的的圓柱體體積圓柱體體積內(nèi)所包含的粒子數(shù)。內(nèi)所包含的粒子數(shù)。n源密度用來區(qū)源密度用來區(qū)分散斑測速模式分散斑測速模式和和粒子像測速模式粒子像測速模式。Ns1，表示這個(gè)像是由一個(gè)粒子生成的像；，表示這個(gè)像是由一個(gè)粒子生成的像；Ns1:像會(huì)重疊，像平面上形成散斑模式；像會(huì)重疊，像平面上形成散斑模式；Ns1時(shí)，由于粒子像較多，不可能跟隨每個(gè)粒子來求時(shí)，由于粒子像較多，不可能跟隨

5、每個(gè)粒子來求它的位移，只能采用統(tǒng)計(jì)方法來處理即它的位移，只能采用統(tǒng)計(jì)方法來處理即PIV技術(shù)。技術(shù)。n當(dāng)當(dāng)NIl時(shí)，由于成像密度極低，因而在診斷區(qū)內(nèi)不能使用時(shí)，由于成像密度極低，因而在診斷區(qū)內(nèi)不能使用統(tǒng)計(jì)處理的方法，而應(yīng)跟隨每個(gè)粒子求它的位移量，所以統(tǒng)計(jì)處理的方法，而應(yīng)跟隨每個(gè)粒子求它的位移量，所以就整場而言，速度測量是隨機(jī)的，即就整場而言，速度測量是隨機(jī)的，即PTV技術(shù)。技術(shù)。2204MdZCNIi6.4.1. 粒子圖象測速原理粒子圖象測速原理1. PIV系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成n成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)n光源系統(tǒng)光源系統(tǒng)n流場裝置流場裝置n示蹤粒子投放系統(tǒng)示蹤粒子投放系統(tǒng)n光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)n分析顯示系統(tǒng)

6、分析顯示系統(tǒng) (1) 光源系統(tǒng)光源系統(tǒng)在粒子圖象測速系統(tǒng)中需要在粒子圖象測速系統(tǒng)中需要脈沖片光源脈沖片光源1.雙脈沖紅寶石激光器雙脈沖紅寶石激光器波長波長699nm, 脈沖寬度脈沖寬度25ns，脈沖能量，脈沖能量110J，脈沖間隔，脈沖間隔1 s1ms；n脈沖光能量大；脈沖光能量大；n脈沖間隔小，不適用于低速測量；脈沖間隔小，不適用于低速測量；n不能連續(xù)產(chǎn)生脈沖光。不能連續(xù)產(chǎn)生脈沖光。2.Yag激光器（脈沖銥激光器（脈沖銥-銣?zhǔn)袷す馄鳎┿準(zhǔn)袷す馄鳎┎ㄩL波長532nm, 脈沖寬度脈沖寬度15ns，脈沖能量，脈沖能量0.2J，脈沖間隔，脈沖間隔1 s0.1s；n一般采用兩臺(tái)一般采用兩臺(tái)Ya

7、g激光器激光器, 用外部同步裝置分別觸發(fā)；用外部同步裝置分別觸發(fā)；n脈沖間隔調(diào)整范圍大，小可實(shí)現(xiàn)從低速到高速流動(dòng)的測量。脈沖間隔調(diào)整范圍大，小可實(shí)現(xiàn)從低速到高速流動(dòng)的測量。連續(xù)光源調(diào)制成脈沖光源（氬離子激光器連續(xù)光源調(diào)制成脈沖光源（氬離子激光器）a)光斬波器光斬波器n采用碼盤，或其它電采用碼盤，或其它電控元件將連續(xù)光變成控元件將連續(xù)光變成脈沖光。脈沖寬度和脈沖光。脈沖寬度和脈沖間隔由開孔的直脈沖間隔由開孔的直徑和碼盤的轉(zhuǎn)速來決徑和碼盤的轉(zhuǎn)速來決定。轉(zhuǎn)速越快，脈沖定。轉(zhuǎn)速越快，脈沖能量越小。能量越小。n大部分能量浪費(fèi)了，大部分能量浪費(fèi)了，只利用了只利用了 t/t/ t t，而，而 t t又不能太

8、大，否則又不能太大，否則會(huì)使像點(diǎn)模糊。會(huì)使像點(diǎn)模糊。b.掃描光屏掃描光屏n激光光束經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)的激光光束經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)的n面鏡反射形成一個(gè)掃描光屏，當(dāng)轉(zhuǎn)面鏡反射形成一個(gè)掃描光屏，當(dāng)轉(zhuǎn)鏡的一面掃過流場時(shí)，粒子散射光形成第一次像，緊接著鏡的一面掃過流場時(shí)，粒子散射光形成第一次像，緊接著第二個(gè)面掃過流場時(shí)又形成第二次像。這樣逐次下去粒子第二個(gè)面掃過流場時(shí)又形成第二次像。這樣逐次下去粒子就像被脈沖光源照射一樣。就像被脈沖光源照射一樣。調(diào)整轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)速可改變脈沖間隔調(diào)整轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)速可改變脈沖間隔，具有靈活性。，具有靈活性。此方法的關(guān)鍵問題：轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)時(shí)的平穩(wěn)性和鏡面的平行度。此方法的關(guān)鍵問題：轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)時(shí)的平穩(wěn)性和鏡面的

9、平行度。(2) 片光光學(xué)系統(tǒng)片光光學(xué)系統(tǒng)n片光是由柱面鏡和球面鏡聯(lián)合產(chǎn)生。片光是由柱面鏡和球面鏡聯(lián)合產(chǎn)生。n準(zhǔn)直了的光束通過柱面鏡后在一個(gè)方向內(nèi)發(fā)散，同時(shí)球面準(zhǔn)直了的光束通過柱面鏡后在一個(gè)方向內(nèi)發(fā)散，同時(shí)球面鏡用于控制片光的厚度。典型的片光在光腰處的厚度的數(shù)鏡用于控制片光的厚度。典型的片光在光腰處的厚度的數(shù)量級(jí)在量級(jí)在 mmm。n光纖片光源光纖片光源n光纖片光源在選擇流動(dòng)中所希望的照明區(qū)域上具有靈活性，光纖片光源在選擇流動(dòng)中所希望的照明區(qū)域上具有靈活性，但是光纖片光源僅僅運(yùn)用于功率小于但是光纖片光源僅僅運(yùn)用于功率小于5w（或（或1ms脈沖的脈沖的5nJ）的氬離子激光器。）的氬離子激光器。(3)

10、 記錄系統(tǒng)記錄系統(tǒng)n記錄系統(tǒng)一般采用記錄系統(tǒng)一般采用照相機(jī)照相機(jī)和和CCD攝像機(jī)攝像機(jī)n照相機(jī)照相機(jī): n一張一張135底片相當(dāng)于底片相當(dāng)于3600 2400像素或像素或 11520 7680像素像素n適合于高分辨率和寬的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的流場測量適合于高分辨率和寬的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的流場測量nCCD攝像機(jī)攝像機(jī): n1024 1024，2048 2048，4096 4096像素像素n已經(jīng)代傳統(tǒng)照相機(jī)已經(jīng)代傳統(tǒng)照相機(jī)n對(duì)于三維測量，需要采用立體攝影或全息攝影技術(shù)對(duì)于三維測量，需要采用立體攝影或全息攝影技術(shù) (4) 分析顯示系統(tǒng)分析顯示系統(tǒng)n顯示系統(tǒng)的目的：顯示系統(tǒng)的目的：通過對(duì)圖像的數(shù)據(jù)處理得到速度分布通過對(duì)

11、圖像的數(shù)據(jù)處理得到速度分布n該方法的特點(diǎn)該方法的特點(diǎn):顯示系統(tǒng)不是跟蹤某一個(gè)粒子，而是在一個(gè)小區(qū)內(nèi)（診顯示系統(tǒng)不是跟蹤某一個(gè)粒子，而是在一個(gè)小區(qū)內(nèi)（診斷點(diǎn)）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。斷點(diǎn)）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。n對(duì)于高像密度的對(duì)于高像密度的PIV來說，在每一個(gè)診斷點(diǎn)內(nèi)來說，在每一個(gè)診斷點(diǎn)內(nèi)n像密度像密度至少使至少使Ni 1020；n像點(diǎn)直徑像點(diǎn)直徑約在約在1025 m；n診斷點(diǎn)直徑診斷點(diǎn)直徑小于小于幾幾mm；n粒子位移粒子位移可以從可以從10 m到到mm量級(jí)量級(jí)。診斷處理方法分類診斷處理方法分類n光學(xué)方法光學(xué)方法n測量干涉條紋的測量干涉條紋的間距和方向間距和方向n數(shù)字圖像法數(shù)字圖像法1.傅立葉變換法傅立葉變換法2

12、.直接空間相關(guān)法直接空間相關(guān)法3.粒子像間距概率粒子像間距概率統(tǒng)計(jì)法統(tǒng)計(jì)法傅立葉變換法傅立葉變換法診斷點(diǎn)的圖像診斷點(diǎn)的圖像G(I,J)G(I,J)可以看成第一個(gè)脈沖光形成的圖像可以看成第一個(gè)脈沖光形成的圖像g g1 1(I,J)(I,J)和第二脈沖光形成圖像和第二脈沖光形成圖像g g2 2(I,J)(I,J)相疊加的結(jié)果。相疊加的結(jié)果。G(I,J )=g1(I,J )+g1(I +x,J +y)(1)(1)離散的傅立葉變換式為離散的傅立葉變換式為 (2)(2)將將(1)(1)式帶入式帶入(2)(2)式式, , 并利用傅立葉變換的平移特性并利用傅立葉變換的平移特性, , 得得(3)(3)式中式中

13、, f(u,v), f(u,v)是是g g1 1(I,J)(I,J)的傅立葉變換的傅立葉變換NJNINvJuIjJIGNvuF112exp),(1),(vufNyvxujNyvxuvuF,expcos2),( 對(duì)對(duì)(3)(3)式求模式求模對(duì)對(duì)(3)(3)式再進(jìn)行一次傅立葉變換式再進(jìn)行一次傅立葉變換, , 并利用平移特性得并利用平移特性得G(x,y)=g(x-G(x,y)=g(x- x,y-x,y- y)+2g(x,y)+g(x+y)+2g(x,y)+g(x+ x,y+x,y+ y)y)式中式中, G, G和和gg分別為分別為F(u,v)F(u,v)和和f(u,v)f(u,v)的傅立葉變換的傅立

14、葉變換vufNyvxuvuF,cos4),(2 nGG在在(0,0)(0,0)點(diǎn)，點(diǎn)，( ( x,x, y)y)點(diǎn)和（點(diǎn)和（- - x,-x,- y)y)點(diǎn)分別有一個(gè)最大灰點(diǎn)分別有一個(gè)最大灰度值和兩個(gè)次大灰度值。因此提取粒子位移的問題就歸結(jié)為在度值和兩個(gè)次大灰度值。因此提取粒子位移的問題就歸結(jié)為在圖像圖像G G中中尋找尋找最大灰度最大灰度和和次大灰度次大灰度之間的距離之間的距離 x, x, y y。二次二次FFT(G)FFT(G)后的灰度圖像后的灰度圖像一次一次FFT(F(u,v)FFT(F(u,v)后的灰度圖像后的灰度圖像直接空間相關(guān)法直接空間相關(guān)法 整理后整理后,得到得到R(m,n)=Ri

15、(m- x,n- y)+2Ri(m,n)+Ri(m+ x,n+ y)相關(guān)函數(shù)在原點(diǎn)有一個(gè)最大峰值，在（相關(guān)函數(shù)在原點(diǎn)有一個(gè)最大峰值，在（ x, y）和（）和（- x,- y）處有兩個(gè)次峰值。處有兩個(gè)次峰值。由于流動(dòng)只可能是一個(gè)方向，最大峰值和次峰值距離就是粒由于流動(dòng)只可能是一個(gè)方向，最大峰值和次峰值距離就是粒子位移量（子位移量（ x, y）。）。NINJnJmIGJIGnmR11),(),(),(粒子像間距概率統(tǒng)計(jì)法粒子像間距概率統(tǒng)計(jì)法假設(shè)粒子運(yùn)動(dòng)是均勻的假設(shè)粒子運(yùn)動(dòng)是均勻的, , 在粒子像的間距中，間距等在粒子像的間距中，間距等于粒子位移量的概率呈最大值。于粒子位移量的概率呈最大值。P(d)

16、|P(d)|d=Dd=D = Max = Max式中式中P(d) - P(d) - 粒子像間距的概率分布粒子像間距的概率分布D - D - 粒子的位移量粒子的位移量6.4.2. 粒子圖象測速的信號(hào)處理粒子圖象測速的信號(hào)處理圖像采集和處理系統(tǒng)圖像采集和處理系統(tǒng)攝像機(jī)輸出的視頻信號(hào)進(jìn)入圖像采集卡，經(jīng)攝像機(jī)輸出的視頻信號(hào)進(jìn)入圖像采集卡，經(jīng)鎖像鎖像、采樣采樣(采樣頻率為采樣頻率為10MHz)及及A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換，可將一幅，可將一幅畫面實(shí)時(shí)數(shù)字化成畫面實(shí)時(shí)數(shù)字化成512 512 8bit的灰度圖像。數(shù)的灰度圖像。數(shù)據(jù)處理目前可采用陣列處理器，運(yùn)算二次據(jù)處理目前可采用陣列處理器，運(yùn)算二次FFT只只需需23秒

17、秒粒子圖像測速診斷系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)粒子圖像測速診斷系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)軟件包括診斷軟件包括診斷最大最大和和次大灰度值次大灰度值的程序和后處理的程序和后處理程序。后處理程序包括程序。后處理程序包括速度場速度場、脈動(dòng)速度場脈動(dòng)速度場、渦渦量場量場和和雷諾應(yīng)力場雷諾應(yīng)力場。圖像分析算法圖像分析算法n自相關(guān)分析自相關(guān)分析自相關(guān)分析要進(jìn)行二次二維快速傅里葉變換自相關(guān)分析要進(jìn)行二次二維快速傅里葉變換(FFT)變換，查問區(qū)內(nèi)的圖像變換，查問區(qū)內(nèi)的圖像G(x,y)被認(rèn)為是第被認(rèn)為是第一個(gè)脈沖光所形成的圖像一個(gè)脈沖光所形成的圖像g1(x,y)和第二個(gè)脈沖和第二個(gè)脈沖光所形成的圖像光所形成的圖像g2(x,y)相疊加的結(jié)果

18、相疊加的結(jié)果。n互相關(guān)分析互相關(guān)分析互相關(guān)分析要進(jìn)行互相關(guān)分析要進(jìn)行3次二維傅里葉變換。在查問次二維傅里葉變換。在查問區(qū)內(nèi)，假設(shè)粒子的位移是均勻的則第二個(gè)脈區(qū)內(nèi)，假設(shè)粒子的位移是均勻的則第二個(gè)脈沖光形成的圖像可視為第一個(gè)脈沖光形成的圖沖光形成的圖像可視為第一個(gè)脈沖光形成的圖像像經(jīng)過平移后得到的經(jīng)過平移后得到的?；ハ嚓P(guān)分析的優(yōu)點(diǎn)互相關(guān)分析的優(yōu)點(diǎn)空間分辨率高。空間分辨率高。由于相關(guān)圖像用的是兩幀粒子圖像，粒子濃度可以比自相關(guān)更濃，可用由于相關(guān)圖像用的是兩幀粒子圖像，粒子濃度可以比自相關(guān)更濃，可用更小的查問區(qū)來獲得更多的有效粒子對(duì)。更小的查問區(qū)來獲得更多的有效粒子對(duì)。查問區(qū)的偏移量允許有更多的有效粒

19、子對(duì)。查問區(qū)的偏移量允許有更多的有效粒子對(duì)。不需要像移裝置。不需要像移裝置。兩幀圖像的先后順序已知，不須附加的裝置就可兩幀圖像的先后順序已知，不須附加的裝置就可判斷粒子運(yùn)動(dòng)方向判斷粒子運(yùn)動(dòng)方向。信噪比不同。信噪比不同。由于自相關(guān)分析采用由于自相關(guān)分析采用單幀多脈沖單幀多脈沖法拍攝的圖像對(duì)背景噪聲也進(jìn)行了疊加，法拍攝的圖像對(duì)背景噪聲也進(jìn)行了疊加，因此其信噪比較差，而互相關(guān)采用因此其信噪比較差，而互相關(guān)采用多幀單脈沖多幀單脈沖法來拍攝圖像從而減少法來拍攝圖像從而減少了背景噪聲的相關(guān)峰值，提高了信噪比。了背景噪聲的相關(guān)峰值，提高了信噪比。測量范圍不同。測量范圍不同。由于自相關(guān)存在有粒子同一脈沖圖像自

20、身相關(guān)而得到的由于自相關(guān)存在有粒子同一脈沖圖像自身相關(guān)而得到的0 0級(jí)峰，其級(jí)峰，其粒子位移是粒子位移是0 0級(jí)峰與級(jí)峰與+1+1級(jí)峰的形心之間的距離級(jí)峰的形心之間的距離，因此兩峰之間的距離不能太短以免兩峰重疊不能分辨，因此兩峰之間的距離不能太短以免兩峰重疊不能分辨，而將而將+2+2級(jí)峰當(dāng)作級(jí)峰當(dāng)作+1+1級(jí)峰造成錯(cuò)誤測量。而級(jí)峰造成錯(cuò)誤測量。而互相關(guān)一般互相關(guān)一般只有一個(gè)最高峰只有一個(gè)最高峰，容易才找。，容易才找。測量精度不同。測量精度不同。由于自相關(guān)必須定位兩個(gè)高峰的形心，而互相關(guān)只要求由于自相關(guān)必須定位兩個(gè)高峰的形心，而互相關(guān)只要求定位一個(gè)高峰的形心，因此互相關(guān)的精度容易保證。定位一個(gè)高

21、峰的形心，因此互相關(guān)的精度容易保證。互相關(guān)分析的不足互相關(guān)分析的不足計(jì)算量很大，需要計(jì)算量很大，需要3次二維互相關(guān)；次二維互相關(guān)；可測量的最大速度受捕獲硬件的限制可測量的最大速度受捕獲硬件的限制時(shí)間分辨率受到限制。時(shí)間分辨率受到限制。 實(shí)際的PIV系統(tǒng)Stereoscopic PIVnThe stereoscopic PIV technique uses a pair of digital cameras to extract the in-plane components of velocity in the light sheet as well as the out-of-plane c

22、omponent. A pair of digital cameras is used for this purpose. A photograph of our Stereoscopic PIV system is shown below.Stereoscopic PIVStereoscopic PIVn從噴嘴到自由水射流之間的相互作用（6）實(shí)例）實(shí)例6.4.3 方向模糊性方向模糊性當(dāng)觀察當(dāng)觀察PIV照片時(shí)，第一和第二個(gè)粒子圖像看起來是一樣的。存照片時(shí)，第一和第二個(gè)粒子圖像看起來是一樣的。存在著在著180度的方向模糊。解決方案有度的方向模糊。解決方案有n互相關(guān)方法，用多幅單曝光，在相繼兩幅圖

23、像互相關(guān)方法，用多幅單曝光，在相繼兩幅圖像I1(S)和和I2(S)之之間求互相關(guān)量。間求互相關(guān)量。R(S) = I1(X)I2(X+S)dx這樣就消除了雙曝光中反向的相關(guān)量這樣就消除了雙曝光中反向的相關(guān)量n在單幅雙曝光圖像中采用在單幅雙曝光圖像中采用像位移的方法像位移的方法來消除方向模糊。來消除方向模糊。在第一次曝光以后的第二次曝光時(shí)，像的位移加上一個(gè)位在第一次曝光以后的第二次曝光時(shí)，像的位移加上一個(gè)位置的偏移量。偏移量加得合適，就可以使反方向的運(yùn)動(dòng)位置的偏移量。偏移量加得合適，就可以使反方向的運(yùn)動(dòng)位移都轉(zhuǎn)到正方向。當(dāng)診斷出相關(guān)量的峰值位置后，再減去移都轉(zhuǎn)到正方向。當(dāng)診斷出相關(guān)量的峰值位置后，

24、再減去偏移量，就可以分辨出流場的正反兩個(gè)方向的速度值。偏移量，就可以分辨出流場的正反兩個(gè)方向的速度值。旋轉(zhuǎn)鏡法產(chǎn)生像位移旋轉(zhuǎn)鏡法產(chǎn)生像位移6.4.4 示蹤粒子的選擇示蹤粒子的選擇對(duì)示蹤粒子的要求可歸結(jié)為對(duì)粒子的跟隨性對(duì)示蹤粒子的要求可歸結(jié)為對(duì)粒子的跟隨性和適當(dāng)?shù)念w粒濃度的要求和適當(dāng)?shù)念w粒濃度的要求n1粒子的跟隨性粒子的跟隨性n從粒子的跟隨性要求來看，粒子必須有足夠小從粒子的跟隨性要求來看，粒子必須有足夠小的粒徑，以便能夠跟隨流體運(yùn)動(dòng)；的粒徑，以便能夠跟隨流體運(yùn)動(dòng)；n從得到良好的圖像信號(hào)的要求來看，粒子還必從得到良好的圖像信號(hào)的要求來看，粒子還必須有足夠大的粒徑，以便產(chǎn)生足夠的散射信號(hào)。須有足夠

25、大的粒徑，以便產(chǎn)生足夠的散射信號(hào)。2光散射和信噪比光散射和信噪比n粒子尺寸、折射指數(shù)和粒子形狀粒子尺寸、折射指數(shù)和粒子形狀等因素會(huì)影響光等因素會(huì)影響光散射的能力。通常激光功率越高，散射信號(hào)越強(qiáng)，散射的能力。通常激光功率越高，散射信號(hào)越強(qiáng)，在其他條件相同的情況下，信噪比也越大。在其他條件相同的情況下，信噪比也越大。n研究表明研究表明信噪比信噪比和和顆粒直徑顆粒直徑近似地成正比關(guān)系，近似地成正比關(guān)系，所以顆粒直徑越大，信噪比也越大。但當(dāng)信噪比所以顆粒直徑越大，信噪比也越大。但當(dāng)信噪比值增加到一定值以后，這種關(guān)系就發(fā)生改變。值增加到一定值以后，這種關(guān)系就發(fā)生改變。n粒子的形狀粒子的形狀也會(huì)影響信噪比

26、值。正常的信噪比計(jì)也會(huì)影響信噪比值。正常的信噪比計(jì)算都是假定粒子是球形的。非球形粒子可以由定算都是假定粒子是球形的。非球形粒子可以由定義一個(gè)等效直徑來考慮。義一個(gè)等效直徑來考慮。 粒子材料的折射指數(shù)對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響粒子材料的折射指數(shù)對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響n相對(duì)折射指數(shù)被定義為相對(duì)折射指數(shù)被定義為相對(duì)折射指數(shù)粒子折射指數(shù)相對(duì)折射指數(shù)粒子折射指數(shù)/介質(zhì)折射指數(shù)介質(zhì)折射指數(shù)相對(duì)折射指數(shù)等于相對(duì)折射指數(shù)等于1，表示粒子相對(duì)于介質(zhì)是透明的，這種，表示粒子相對(duì)于介質(zhì)是透明的，這種粒子不能用作粒子不能用作散射體散射體。在實(shí)用上我們常常選用具有在實(shí)用上我們常常選用具有較高相對(duì)折射指數(shù)較高相對(duì)折射指數(shù)的材料作示的材料

27、作示蹤粒子。這在物理上可以被解釋為表面磨光的情形，粒子蹤粒子。這在物理上可以被解釋為表面磨光的情形，粒子表面越光亮，獲得較好散射信號(hào)的可能性越大。表表面越光亮，獲得較好散射信號(hào)的可能性越大。表6-3列列出了常用材料的折射指數(shù)。出了常用材料的折射指數(shù)。n常用的粒子常用的粒子:TiO2, Al2O3, 硅油粒子。硅油粒子。3顆粒濃度顆粒濃度n實(shí)踐表明，每個(gè)查問區(qū)內(nèi)多于實(shí)踐表明，每個(gè)查問區(qū)內(nèi)多于10個(gè)粒子對(duì)個(gè)粒子對(duì)是確保測量正確位移值的必要保證。是確保測量正確位移值的必要保證。n但是粒子對(duì)也不能太多，否則圖像就會(huì)重但是粒子對(duì)也不能太多，否則圖像就會(huì)重疊，從而形成散斑。疊，從而形成散斑。6.4.5 取

28、得好結(jié)果的取得好結(jié)果的5條重要準(zhǔn)則條重要準(zhǔn)則n 為了對(duì)流場照片的診斷獲得最好的結(jié)果，就必為了對(duì)流場照片的診斷獲得最好的結(jié)果，就必須認(rèn)真仔細(xì)地選擇診斷系統(tǒng)的若干參數(shù)。它們是：須認(rèn)真仔細(xì)地選擇診斷系統(tǒng)的若干參數(shù)。它們是：粒子播種密度、粒徑、激光脈沖之間的時(shí)間、片粒子播種密度、粒徑、激光脈沖之間的時(shí)間、片光源的高度和厚度、診斷光斑的大小以及圖像漂光源的高度和厚度、診斷光斑的大小以及圖像漂移的大小等等。這些參數(shù)中大多數(shù)是又相關(guān)聯(lián)的。移的大小等等。這些參數(shù)中大多數(shù)是又相關(guān)聯(lián)的。就是說改變義中的一個(gè)將會(huì)影響其中的另一個(gè)。就是說改變義中的一個(gè)將會(huì)影響其中的另一個(gè)。n 根據(jù)理論分析和大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選擇上述參根據(jù)理論分析和大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選擇上述參數(shù)時(shí)應(yīng)該遵循以下準(zhǔn)則：數(shù)時(shí)應(yīng)該遵循以下準(zhǔn)則：n 單個(gè)診斷點(diǎn)上的速度變化率單個(gè)診斷點(diǎn)上的速度變化率診斷光斑應(yīng)該足夠小，使得單個(gè)矢量能夠充分地描述該診斷光斑應(yīng)該足夠小，使得單個(gè)矢量能夠充分地描述該區(qū)域的流動(dòng)狀態(tài)。此要求實(shí)際上對(duì)單個(gè)診斷點(diǎn)上的