热工实验技术与数据处理

1、2022-2-23清华大学热能工程系1热工实验技术与数据处理热工实验技术与数据处理第第 十二十二 讲讲李李 彦彦2022-2-23清华大学热能工程系2六、粒子图象测速技术六、粒子图象测速技术( (PIV)PIV)1. 1. 概述概述利用粒子的成象来测量流体速度的这一类方法均可称利用粒子的成象来测量流体速度的这一类方法均可称为粒子图象测速技术。其分类如下：为粒子图象测速技术。其分类如下：2022-2-23清华大学热能工程系3 源密度定义 式中C - 粒子浓度Z0 - 片光源厚度M - 照相机的放大率de - 底片上粒子像的直径源密度的物理意义为：源密度的物理意义为：在像平面上的一个粒子像斑返回到

2、物理平面上和片光源相交的一个圆柱体体积内所包含的粒子数。源密度用来区分散斑测速模式和粒子像测速模式。 像密度定义 式中dI - 诊断点的直径像密度的物理意义为：像密度的物理意义为：在一个诊断面积内有多少粒子像（或像对）。像密度用来区分粒子迹线法和粒子图像测速方法。2204MdZCNes2204MdZCNIi2022-2-23清华大学热能工程系4PIVPIV的定义的定义 PIV(Particle Image Velocimetry)用于测量二维平面整个速度场上的速度矢量。一个速度矢量可用一根根箭头来表示，其中箭头的大小表示流动速度的大小，箭头的方向表示该点流动速度的方向PIVPIV的重要特点的重

3、要特点 可在同一时刻记录下整个信息场的有关信息 能提供流动的丰富的空间结构 可以冻结某一时刻的流动状态，从而揭示出隐藏着的湍流流动结构2022-2-23清华大学热能工程系52. 粒子图象测速原理一个典型的PIV系统包括光源系统、所研究的流场装置、示踪粒子的投放系统、接收和记录粒子散射光的光学系统、信息处理系统2022-2-23清华大学热能工程系6 (1) (1) 光源系统光源系统在粒子图象测速系统中需要在粒子图象测速系统中需要脉冲片光源脉冲片光源双脉冲红宝石激光器双脉冲红宝石激光器波长波长699699nmnm, , 脉冲宽度脉冲宽度2525nsns脉冲能量脉冲能量110110J J脉冲间隔脉冲

4、间隔1 1 s1mss1ms脉冲光能量大脉冲光能量大；不能连续不能连续产生脉冲光产生脉冲光YagYag激光器激光器波长波长532532nmnm, , 脉冲宽度脉冲宽度1515nsns脉冲能量脉冲能量0.20.2J J脉冲间隔脉冲间隔1 1 s0.1ss0.1s可实现从低速到高速流动的测量可实现从低速到高速流动的测量一般采用两台一般采用两台YagYag激光器激光器, , 用用外同步装置分别触发外同步装置分别触发2022-2-23清华大学热能工程系7 应用光斩波器将连续光源变成脉冲光源应用光斩波器将连续光源变成脉冲光源 一般采用码盘，或其它电控元件将连续光变成脉冲光。一般采用码盘，或其它电控元件将

5、连续光变成脉冲光。脉冲宽度和脉冲间隔由开孔的直径和码盘的转速来决脉冲宽度和脉冲间隔由开孔的直径和码盘的转速来决定。转速越快，脉冲能量越小。定。转速越快，脉冲能量越小。 大部分能量浪费了，只利用了大部分能量浪费了，只利用了 t/t/ t t，而，而 t t又不能太又不能太大，否则会使像点模糊大，否则会使像点模糊。2022-2-23清华大学热能工程系8 采用扫描光屏来得到片光源采用扫描光屏来得到片光源 激光光束经高速旋转的激光光束经高速旋转的n n面镜反射形成一个扫描光屏，当面镜反射形成一个扫描光屏，当转镜的一面扫过流场时，粒子散射光形成第一次像，紧接转镜的一面扫过流场时，粒子散射光形成第一次像，

6、紧接着第二个面扫过流场时又形成第二次像。这样逐次下去粒着第二个面扫过流场时又形成第二次像。这样逐次下去粒子就像被脉冲光源照射一样。子就像被脉冲光源照射一样。 调整转镜转速可改变脉冲间隔，具有灵活性。调整转镜转速可改变脉冲间隔，具有灵活性。转镜旋转时的平稳性和镜面的平行度是此方法的关键问题。2022-2-23清华大学热能工程系9 (2) (2) 流场中添加粒子流场中添加粒子粒子要能跟随流体的运动，粒子的形状要接近与球形。粒子要能跟随流体的运动，粒子的形状要接近与球形。粒子的折射率和介质的折射率之比在散射光中是一个粒子的折射率和介质的折射率之比在散射光中是一个重要的参数。常用的粒子重要的参数。常用

7、的粒子: :TiOTiO2 2, Al, Al2 2O O3 3, , 硅油粒子。选硅油粒子。选择粒子浓度要考虑使源密度和像密度达到较高值。择粒子浓度要考虑使源密度和像密度达到较高值。(3) (3) 记录系统记录系统记录系统一般采用照相机和摄象机记录系统一般采用照相机和摄象机 照相机照相机: : 一张一张135135底片底片. .相当于相当于36003600 2400, 11520 2400, 11520 76807680像素像素适合于高分辨率和宽的动态响应的流场测量适合于高分辨率和宽的动态响应的流场测量 CCDCCD摄像机摄像机: 1024 : 1024 10241024像素像素适合于低分辨

8、率和低精度的流场测量适合于低分辨率和低精度的流场测量2022-2-23清华大学热能工程系10 (4) (4) 粒子图像测速的诊断方法粒子图像测速的诊断方法该方法的特点在于它不是跟踪某一个粒子该方法的特点在于它不是跟踪某一个粒子, ,而是在而是在一个小区内（诊断点）进行统计处理。对于高像一个小区内（诊断点）进行统计处理。对于高像密度的密度的PIVPIV来说，在每一个诊断点内像密度至少使来说，在每一个诊断点内像密度至少使NiNi 10201020，像点直径大约在，像点直径大约在10251025 m m，诊断点直，诊断点直径小于几毫米，粒子位移可以从径小于几毫米，粒子位移可以从10 10 m m到毫

9、米量级。到毫米量级。2022-2-23清华大学热能工程系112022-2-23清华大学热能工程系12诊断处理方法可分为：诊断处理方法可分为： 光学方法光学方法 测量干涉条纹的测量干涉条纹的间距和方向间距和方向 数字图像技术数字图像技术 傅立叶变换法傅立叶变换法 直接空间相关法直接空间相关法 粒子像间距概率粒子像间距概率统计法统计法2022-2-23清华大学热能工程系13 傅立叶变换法傅立叶变换法诊断点的图像诊断点的图像G(I,J)G(I,J)可以看成第一个脉冲光形成的图像可以看成第一个脉冲光形成的图像g g1 1(I,J)(I,J)和第二脉冲光形成图像和第二脉冲光形成图像g g2 2(I,J)

10、(I,J)相叠加的结果。相叠加的结果。G(I, J)=gG(I, J)=g1 1(I, J)+g(I, J)+g1 1(I+(I+ x, J+ x, J+ y)y)(1)(1)离散的傅立叶变换式为离散的傅立叶变换式为 (2)(2)将将(1)(1)式带入式带入(2)(2)式式, , 并利用傅立叶变换的平移特性并利用傅立叶变换的平移特性, , 得得(3)(3)式中式中, , f(u,v)f(u,v)是是g g1 1(I,J)(I,J)的傅立叶变换的傅立叶变换NJNINvJuIjJIGNvuF112exp),(1),(vufNyvxujNyvxuvuF,expcos2),(2022-2-23清华大学

11、热能工程系14 对对(3)(3)式求模式求模对对(3)(3)式再进行一次傅立叶变换式再进行一次傅立叶变换, , 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分别为分别为F(u,v)F(u,v)和和f(u,v)f(u,v)的傅立叶变换的傅立叶变换vufNyvxuvuF,cos4),(22022-2-23清华大学热能工程系15 GG在在(0,0)(0,0)点，点，( ( x, x, y)y)点和（点和（- - x, -x, - y)

12、y)点分别有一个最点分别有一个最大灰度值和两个次大灰度值。因此提取粒子位移的问题就归大灰度值和两个次大灰度值。因此提取粒子位移的问题就归结为在图像结为在图像GG中寻找最大灰度和次大灰度之间的距离中寻找最大灰度和次大灰度之间的距离 x, x, y y。二次二次FFT(G)FFT(G)后的灰度图像后的灰度图像一次一次FFT(F(u,v)FFT(F(u,v)后的灰度图像后的灰度图像2022-2-23清华大学热能工程系16 直接空间相关法直接空间相关法 经整理后得到经整理后得到R(m,n)=RR(m,n)=Ri i(m-(m- x,n- x,n- y)+2Ry)+2Ri i(m,n)+R(m,n)+R

13、i i(m+ (m+ x,n+ x,n+ y)y)相关函数在原点有一个最大峰值。在（相关函数在原点有一个最大峰值。在（ x, x, y y）和）和（- - x,-x,- y y）处有两个次峰值。由于流动只可能是一）处有两个次峰值。由于流动只可能是一个方向，最大峰值和次峰值距离就是粒子位移量（个方向，最大峰值和次峰值距离就是粒子位移量（ x, x, y y） 。NINJnJmIGJIGnmR11),(),(),(2022-2-23清华大学热能工程系172022-2-23清华大学热能工程系18 粒子像间距概率统计法粒子像间距概率统计法假设粒子运动是均匀的假设粒子运动是均匀的, , 在粒子像的间距中

14、，间距等在粒子像的间距中，间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)|P(d)|d=Dd=D = Max = Max式中式中P(d) - P(d) - 粒子像间距的概率分布粒子像间距的概率分布D - D - 粒子的位移量粒子的位移量2022-2-23清华大学热能工程系19 (5) (5) 粒子图像处理系统粒子图像处理系统 光路系统光路系统 照片底版驱动及定位系统照片底版驱动及定位系统 计算机图像处理系统计算机图像处理系统2022-2-23清华大学热能工程系20 图像采集和处理系统图像采集和处理系统摄像机输出的视频信号进入图像采集卡摄像机输出的视频信号进入图像采集卡,

15、 ,经锁像经锁像, ,采样采样( (采样频率为采样频率为10MHz)10MHz)及及A/DA/D转换转换, ,可将一幅画面可将一幅画面实时数字化成实时数字化成512512 512 512 8bit8bit的灰度图像的灰度图像, , 数据处数据处理目前可采用阵列处理器理目前可采用阵列处理器, ,运算二次运算二次FFTFFT只需只需2323秒秒粒子图像测速诊断系统的软件设计粒子图像测速诊断系统的软件设计软件包括诊断最大和次大灰度值的程序和后处理软件包括诊断最大和次大灰度值的程序和后处理程序。后处理程序包括速度场程序。后处理程序包括速度场、脉动速度场脉动速度场、涡涡量场和雷诺应力场。量场和雷诺应力场

16、。2022-2-23清华大学热能工程系21 实际的实际的PIVPIV系统系统2022-2-23清华大学热能工程系22（6 6）实例）实例 从喷嘴到自从喷嘴到自由水射流之由水射流之间的相互作间的相互作用用2022-2-23清华大学热能工程系232022-2-23清华大学热能工程系242022-2-23清华大学热能工程系252022-2-23清华大学热能工程系262022-2-23清华大学热能工程系273 3、有关粒子图像测速技术几个问题的讨论、有关粒子图像测速技术几个问题的讨论（1 1）测量的动态范围）测量的动态范围 最大的像间距最大的像间距动态范围动态范围=-=- 最小的像间距最小的像间距根据

17、采样定理，粒子对的间距最大值不应超过根据采样定理，粒子对的间距最大值不应超过诊断点尺度的一半，而最小的像间距为像直径诊断点尺度的一半，而最小的像间距为像直径的的1-21-2倍才使像点不能粘连在一起。倍才使像点不能粘连在一起。2022-2-23清华大学热能工程系28 （2 2）速度梯度的影响）速度梯度的影响PIVPIV诊断方法是假设在一小块面积内粒子的位移是均匀诊断方法是假设在一小块面积内粒子的位移是均匀的。但是有时在诊断面积内速度有变化，特别在湍流的。但是有时在诊断面积内速度有变化，特别在湍流度大的流场中就遇到这种情况。弱速度梯度的不均匀度大的流场中就遇到这种情况。弱速度梯度的不均匀性可忽略；

18、强速度梯度时，相关量的峰值性可忽略；强速度梯度时，相关量的峰值R RD D会向低速会向低速方向偏移。方向偏移。（3 3）多次曝光）多次曝光采用等时间间隔的多脉冲曝光可以大大提高相关量的采用等时间间隔的多脉冲曝光可以大大提高相关量的强度（即相关峰值的高度），因为多脉冲曝光相当于强度（即相关峰值的高度），因为多脉冲曝光相当于增加了粒子浓度。一般选择增加了粒子浓度。一般选择3-43-4次脉冲比较合适。选用次脉冲比较合适。选用太多脉冲时，粒子可能已离开诊断点。太多脉冲时，粒子可能已离开诊断点。2022-2-23清华大学热能工程系29 （4 4）方向模糊）方向模糊当观察当观察PIVPIV照片时，第一和第

19、二个粒子图像看起来是一照片时，第一和第二个粒子图像看起来是一样的。存在着样的。存在着180180度的方向模糊。解决方案有度的方向模糊。解决方案有用互相关方法，用多幅单曝光，在相继两幅图像用互相关方法，用多幅单曝光，在相继两幅图像I I1 1(S)(S)和和I I2 2(S)(S)之间求互相关量。之间求互相关量。R(S) = IR(S) = I1 1(X)I(X)I2 2(X+S)dx(X+S)dx这样就消除了双曝光中反向的相关量这样就消除了双曝光中反向的相关量在单幅双曝光图像中采用像位移的方法来消除方向在单幅双曝光图像中采用像位移的方法来消除方向模糊。模糊。在第一次曝光以后的第二次曝光时，像的

20、位移加上在第一次曝光以后的第二次曝光时，像的位移加上一个位置的偏移量。偏移量加得合适，就可以使反一个位置的偏移量。偏移量加得合适，就可以使反方向的运动位移都转到正方向上来。当诊断出相关方向的运动位移都转到正方向上来。当诊断出相关量的峰值位置后，再减去偏移量，就可以分辨出流量的峰值位置后，再减去偏移量，就可以分辨出流场的正反两个方向的速度值。场的正反两个方向的速度值。2022-2-23清华大学热能工程系302022-2-23清华大学热能工程系31旋转镜法产生像位移旋转镜法产生像位移2022-2-23清华大学热能工程系322022-2-23清华大学热能工程系334 4、三维、三维PIVPIV的新产

21、品的新产品（1 1）镜头布置）镜头布置 利用利用PIVPIV实物镜实物镜可以实现几种镜可以实现几种镜头的布置，包括头的布置，包括角度偏移和侧面角度偏移和侧面偏移。偏移。2022-2-23清华大学热能工程系34 （2 2）辛普发拉格条件辛普发拉格条件（在直接投影体系中物体透镜、像平面（在直接投影体系中物体透镜、像平面必须是共线的，才能得到清晰的焦点）必须是共线的，才能得到清晰的焦点）是摄像机配置的明确是摄像机配置的明确的选择，它的优点是在测量平面的所有点都被聚焦到像平面，的选择，它的优点是在测量平面的所有点都被聚焦到像平面，使之有可能测量更宽范围的测量区域。如果物平面使之有可能测量更宽范围的测量

22、区域。如果物平面A-AA-A，像平，像平面面B-BB-B和镜头平面和镜头平面C-CC-C相交在一个共同点相交在一个共同点D D就可以达到辛普发拉就可以达到辛普发拉格条件。格条件。2022-2-23清华大学热能工程系35 （3 3）粒子图像捕获）粒子图像捕获相对于两个激光脉冲，每个摄象机捕获两张图片，这两套图像中相对于两个激光脉冲，每个摄象机捕获两张图片，这两套图像中包含了由三维速度引起的粒子分布信息，从由每个摄像机捕获的包含了由三维速度引起的粒子分布信息，从由每个摄像机捕获的每对图像得到的粒子分布场，可被转换成三维速度场。将摄像机每对图像得到的粒子分布场，可被转换成三维速度场。将摄像机设在跨祯

23、运行方式就可将设在跨祯运行方式就可将PIVPIV应用在大多数流动测量的场合。应用在大多数流动测量的场合。2022-2-23清华大学热能工程系36（4 4）校正）校正在在辛普发拉格条件辛普发拉格条件下所看到的画面引起透视变形。一个长方形下所看到的画面引起透视变形。一个长方形结构通过这样的摄像机布置则变成梯形，这种情况可以通过补结构通过这样的摄像机布置则变成梯形，这种情况可以通过补偿校正来得到更正。具有三维的颗粒在流场中某一点的位置和偿校正来得到更正。具有三维的颗粒在流场中某一点的位置和分布被转换成像平面中的二维图像。利用校正方法可将像平面分布被转换成像平面中的二维图像。利用校正方法可将像平面的分

24、布映像到三维流场分布的分布映像到三维流场分布2022-2-23清华大学热能工程系37 校正方法：校正方法：利用利用1212个二个二维校正域，将每一个校维校正域，将每一个校正域和其分布直接转换正域和其分布直接转换到像平面。由点组成的到像平面。由点组成的校正网格被安装在坐标校正网格被安装在坐标架上，将校正网格从正架上，将校正网格从正常位置移到测量平面，常位置移到测量平面，用两个摄像机同时记录用两个摄像机同时记录和成像，这就在片光源和成像，这就在片光源内得到了将像平面信息内得到了将像平面信息转换成流场信息的完整转换成流场信息的完整的映像描述。这种在线的映像描述。这种在线校正的方法的唯一的优校正的方法

25、的唯一的优点是摄像机角度和其它点是摄像机角度和其它参数如摄像机布置的不参数如摄像机布置的不对称性都不需要事先测对称性都不需要事先测量。量。2022-2-23清华大学热能工程系38（5 5）获得矢量场）获得矢量场每个摄像机获每个摄像机获得的一对图像得的一对图像经过处理后可经过处理后可以得到一对二以得到一对二维速度场，通维速度场，通过校正处理得过校正处理得到的映像功能到的映像功能可以在线提取可以在线提取速度的三维矢速度的三维矢量，并显示出量，并显示出矢量场。矢量场。2022-2-23清华大学热能工程系39小结：小结：定义与特点定义与特点测速原理测速原理光源系统光源系统流场中添加粒子流场中添加粒子记

26、录系统记录系统诊断处理方法诊断处理方法 光学方法光学方法 数字图像技术数字图像技术傅立叶变换法傅立叶变换法直接空间相关法直接空间相关法粒子像间距概率统计法粒子像间距概率统计法粒子图像处理系统粒子图像处理系统实际的实际的PIVPIV系统系统2022-2-23清华大学热能工程系40 有关粒子图像测速技术几个问题的讨论有关粒子图像测速技术几个问题的讨论测量的动态范围测量的动态范围速度梯度的影响速度梯度的影响多次曝光多次曝光方向模糊方向模糊 三维三维PIVPIV的新产品的新产品镜头布置镜头布置辛普发拉格条件辛普发拉格条件粒子图像捕获粒子图像捕获校正校正获得矢量场获得矢量场2022-2-23清华大学热能

27、工程系41参考文献：参考文献：1 “飞速发展中的流动测量技术” 盛森芝，许宏庆，徐月亭，袁辉靖，第三届全国气动实验测控自动化技术交流会报告2 “PowerView Stereoscopic PIV System” TSI Company,1998年8月2022-2-23清华大学热能工程系42 a.传统方法 全局灰度阈值b.改进方法 （局部阈值) 2022-2-23清华大学热能工程系43从局部放大图像观察颗粒特征一、模糊逻辑应用于颗粒识别过程日本可视化协会提供，在其网站上可公开下载2022-2-23清华大学热能工程系44定义三个变量MaxGrayGrad用数学语言完成粒子图像特征的描述粒子图像特

28、征：1. 有一个灰度中心2. 粒子灰度明显高于背景流场灰度3. 粒子灰度分布有梯度2022-2-23清华大学热能工程系45对变量(Max,Gray,Grad)进行模糊化处理Max = 180时，取Medium的程度值为0.6，取Large的程度值为0.4SmallMediumLarge2022-2-23清华大学热能工程系46运算规则库的建立-模拟人的思维的体现2022-2-23清华大学热能工程系47某粒子的中心灰度值为180，相邻象素的灰度为120，考察此相邻象素是否属于该粒子的图像（1）计算Max，Gray，Grad的值，并转化为相应的程度值。Max = 180，查图Gray = 120，查图Grad = 120/180 = 0.667，查图实例说明：2022-2-23清华大学热能工程系48（2）将Max，Grad，Gray的值列表，找出全部非0组合。程度值SmallMediumLargeMax00.60.4Grad00.330.67Gray001本