第七章第四节-粒子图像测速技术

第四节粒子图像测速技术第七章流速测量简介利用示踪粒子的图像来测量流体速度的方法都可以称为粒子图像测速技术（ParticleImageVelocimetry,PIV）。PIV作为一种全新的无扰、瞬态、全场速度测量方法，在流体力学及空气动力学研究领域具有极高的学术意义和实用价值。粒子图像测速技术（PIV）是一种用多次摄像以记录流场中粒子的位置，并分析摄得的图像，从而测出流动速度的方法。PIV是流场显示技术的新发展。它是在传统流动显示技术基础上，利用图形图像处理技术发展起来的一种新的流动测量技术。其综合了单点测量技术和显示测量技术的优点，克服了两种测量技术的弱点而成的，既具备了单点测量技术的精度和分辨率，又能获得平面流场显示的整体结构和瞬态图像。图粒子图像测速技术基本原理PIV的基本原理是通过测量流场中示踪粒子在某一时间微元Δt内的位移来计算流体速度，其中作为粒子信息载体的是t和t+Δt时刻的粒子图像。拍摄粒子图像时，通常采用激光器发射的脉冲光照明流场，利用流场中示踪粒子的散射光成像。用成像的方法(照像或摄像)记录下2次或多次曝光的粒子位置，用图像分析技术得到各点粒子的位移，由此位移和曝光的时间间隔便可得到流场中各点的流速矢量，并计算出其他运动参量(包括流场速度矢量图、速度分量图、流线图、漩度图等)。因采用的记录设备不同,又分别称FPIV(用胶片作记录)和数字式图像测速DPIV（用CCD相机作记录)。如图所示，假设示踪粒子能够很好地跟随流体的运动速度和方向，且Δt足够小，则被测流体的速度可表示为𝑣𝑥=𝑑𝑥(𝑡)𝑑𝑡≈𝑥𝑡+∆𝑡−𝑥𝑡∆𝑡=∆𝑥∆𝑡𝑣𝑦=𝑑𝑦(𝑡)𝑑𝑡≈𝑦𝑡+∆𝑡−𝑦𝑡∆𝑡=∆𝑦∆𝑡∆𝑥∆𝑦粒子P在t+Δt时刻的成像粒子P在t时刻的成像图粒子图像测速原理PIV系统组成PIV系统的基本组成，主要有作为光源的激光器、形成光片的柱面镜、用来拍摄粒子图像的照相机或CCD、进行数据保存和处理的计算机，以及用于控制激光脉冲与照相机快门同步的电子控制器等。图粒子图像测速系统结构常用的激光器有红宝石激光器和钇-钕石榴石激光器。PIV示踪粒子除要满足一般要求(无毒、无腐蚀、无磨蚀、化学性质稳定、清洁等)外,还要满足流动跟随性和散光性等要求。要使粒子的流动跟随性好,就需要粒子的直径较小,但这会使粒子的散光性降低,不易于成像。因此在选取粒子时需综合考虑各个因素。总之,粒子选取的原则为:粒子的密度尽量等于流体的密度,粒子的直径要在保证散射光强的条件下尽可能的小,一般为μm量级。常用的示踪粒子有聚苯乙烯、铝、镁、二氧化钛、玻璃球等。柴油机汽缸内气流运动实验研究中,最常使用的示踪粒子有二氧化钛、铝粉等。在实际实验中,它们的光散射性不错,可拍摄到清晰的图像,但由于其直径和密度太大,导致其跟随性很差,不能真实反映缸内气流的实际运动。此外,固体颗粒进入缸内后有时会粘附在石英玻璃窗口上,由于光线无法穿过不透明的固体颗粒,使粒子成像亮度受到影响。并且固体颗粒一般硬度较大,可能会造成气缸内壁和石英玻璃窗口的磨损。因此只能定期的拆除气缸盖,擦拭窗口,这会增加许多工作量。比较PIV与LDV对示踪粒子的要求PIV示踪粒子在实验研究中,还必须考虑粒子浓度问题。当浓度很大时,粒子像会重叠在一起,由于激光为干涉光,所以在底片上会形成激光散斑而不是独立的粒子像。虽然用激光散斑同样可以测取散斑场的位移,但对于流场而言,由于散斑场的稳定性较差,提取散斑场的位移相对地比较困难。当粒子浓度太低时,粒子对的数目可能太少,结果将得不到足够多点的流速,也就得不到足够准确的流速分布。PIV技术中粒子浓度一般为10左右(在查询区域内)，这样使每个查询区中都有足够的粒子对,能够得到有效的速度结果。PIV技术的应用和发展图用于柴油机喷雾测试的DPIV系统简图图超音速喷流实验PIV技术的应用和发展图水洞校测实验光路布置图PIV在烟丝流量检测中的应用