实验流体力学7

1、第第7章章 粒子图像测速技术（粒子图像测速技术（PIV）7.1 PIV系统的构成系统的构成7.2 PIV测速原理测速原理7.3 PIV的应用研究的应用研究7.4 Micro PIV7.5 PLIF实验流体力学实验流体力学Particle Image Velocimetry PIVLDV 单点时间序列测量. 平面瞬时场测量比较两种激光测量技术：比较两种激光测量技术： 1. 1.脉冲激光器发出的激光通过由球面镜和柱面镜组脉冲激光器发出的激光通过由球面镜和柱面镜组成的片光源镜头组，形成光片照亮流场中一薄层；成的片光源镜头组，形成光片照亮流场中一薄层； 2. 2.在与光片垂直的方向，在与光片垂直的方向

2、，CCDCCD相机摄下在流场这个相机摄下在流场这个层面中跟随流体一起运动的粒子的多次曝光图像；层面中跟随流体一起运动的粒子的多次曝光图像； 3.将数字化图像送入计算机，利用自相关或互相将数字化图像送入计算机，利用自相关或互相关原理处理，得到流场中的速度分布。关原理处理，得到流场中的速度分布。 PIV PIV（Particle Image Velocimetry）即即“粒子粒子图像速度场仪图像速度场仪”。7.1 PIV7.1 PIV系统的构成系统的构成 PIV PIV测速原理：测速原理：一、照明系统：激光器、片光元件。一、照明系统：激光器、片光元件。二、成像系统：激光脉冲同步器、二、成像系统：激

3、光脉冲同步器、CCDCCD摄像机。摄像机。 三、分析系统：帧图像接收器（像机接口板）和三、分析系统：帧图像接收器（像机接口板）和 图像分析软件及计算机。图像分析软件及计算机。在流场中播撒粒子在流场中播撒粒子u照明流场形成片光照明流场形成片光u采集多次曝光图象采集多次曝光图象u成象分析得速度矢量图成象分析得速度矢量图 PIV系统组件系统组件: （1）双脉冲激光器；（）双脉冲激光器；（2）片光元件；）片光元件；（3）CCD像机；（像机；（4）同步控制器；）同步控制器； （5）帧采集卡；）帧采集卡；（6）计算机）计算机 ； （7）光片；）光片； （8）播撒粒子流体。）播撒粒子流体。Light Sou

4、rcePulseDuration(m m sec)PulseSeparation (m m sec)Energy/Pulse(mJ)RepetitionRate(/sec)YAG0.004 to0.020selectable10 to 40015Ar-ion505000.1 to 1.02000Ruby0.0251.010000.01Cu vapor0.0150520 k一、照明系统：一、照明系统：激光器类型：激光器类型： 10 mJ - 400 mJ per pulse 4 ns - 20 ns pulse durationl冻结粒子图像 脉冲间隔时间t 范围l测速从mm/s 到超声速 10

5、 - 30 Hz 脉冲重复率 532 nm 波长 (倍频)激光电源和遥控盒：激光电源和遥控盒：Nd:YAG Nd:YAG 激光器：激光器：l 两束光的光斑应重叠（必要时打开激光头盖子， 调整反射镜角度使光斑尽量重合）。l 冷却循环水系统（去离子水）保证YAG棒温度l 开盖自锁，防激光伤害。u 1064nm波长辐射经倍频器发射光波长532nmu 单脉冲能量12mJ、宽度10nsu 脉冲间隔可调，重复频率达15Hzl Nd:YAG棒在热补偿共振腔内由闪光灯驱动双脉冲双脉冲Nd:YAGNd:YAG激光器（激光器（NEW WAVENEW WAVE公司）：公司）： 双通道激光器的激光头和片光元件组合：双

6、通道激光器的激光头和片光元件组合：50100150200250300100%80%60%40%20%0%能量 Q-switch 延时同步器：同步器：协调系统各部分的工作。协调系统各部分的工作。计算机计算机二、成像系统：二、成像系统： 激光脉冲同步器激光脉冲同步器：1 TTL相机触发；相机触发；2 相机快门；相机快门；3 帧采集触发；帧采集触发；4 视频输入；视频输入；5 外部触发输入；外部触发输入；6 脉冲监视器；脉冲监视器；7 闪光灯（闪光灯（#1红）红）8 Q-开关（开关（#1蓝）；蓝）；9 闪光灯（闪光灯（#2绿）；绿）；10 Q-开关（开关（#2棕）；棕）；11 外部装置输出（触发外部

7、装置输出（触发“Run Laser”，停止，停止“Stop”）；）；12 相机相机12V直流直流1；13 相机相机12V直流直流2；14 输入输入A；15 输出输出B；16 输出输出C；17 输出输出D；18 开关；开关；19 电源线接口；电源线接口；20 选电源电压选电源电压CCD像机、镜头及接口像机、镜头及接口：1、2 分别为电源和输出状态指示灯；分别为电源和输出状态指示灯；3 连接帧接收器（计算机内模数转换卡）；连接帧接收器（计算机内模数转换卡）；4 连接同步器。连接同步器。 帧图像接收器（像机接口板）帧图像接收器（像机接口板）;图像分析软件及计算机图像分析软件及计算机三、分析系统三、分

8、析系统：umax 1400 m/secV- componentU - componentt - 两脉冲间隔时间x - x 方向位移y - y 方向位移粒子A速度 ux = x/t as t 0 uy = y/t as t 0流动平面流动平面激光片激光片xyA. . . . . . . . . . . . .7.2 PIV7.2 PIV测速原理测速原理两类速度计：两类速度计： 1.1.粒子图像速度计；粒子图像速度计； 2.2.激光斑速度计。激光斑速度计。特征参数：特征参数： 1.1.图像场内每单位体积内散射粒子的图像场内每单位体积内散射粒子的浓度平均数浓度平均数C C； 2. 2.流场的尺度。流

9、场的尺度。1.1.激光斑模式激光斑模式（LSVLSV）：一、一、PIVPIV系统的工作模式：系统的工作模式：2.2.粒子示踪模式（粒子示踪模式（PTVPTV）：）：3.3.高图像密度模式（高图像密度模式（PIVPIV）：）：低图像密度低图像密度PIV高图像密度高图像密度PIV 这种模式，流体中散射粒子的浓度非常大，粒这种模式，流体中散射粒子的浓度非常大，粒子图像重叠，产生随机干涉现象（激光斑，子图像重叠，产生随机干涉现象（激光斑，Dainty Dainty 19751975）。通过测量光斑的位移来测速度。）。通过测量光斑的位移来测速度。 这种模式，流体中散射粒子的浓度足够小，通这种模式，流体中

10、散射粒子的浓度足够小，通过拍摄孤立的粒子轨迹来测量位移。过拍摄孤立的粒子轨迹来测量位移。 这种模式，流体中粒子的浓度介于这种模式，流体中粒子的浓度介于LSVLSV和和PTVPTV之间。之间。图像场中每个查询窗包含很多图像，但不重叠。图像场中每个查询窗包含很多图像，但不重叠。多帧技术多帧技术：对帧间隔为对帧间隔为Tf的周期速度场采样。的周期速度场采样。多帧多帧/单脉冲单脉冲 ： t只能等于Tf整数倍 （高速相机产生的帧数有限）低图像密度低图像密度PIV：单帧技术单帧技术：条纹照相法（粒子在光片中条纹照相法（粒子在光片中长长时间曝光时间曝光）。）。特点是查询单元中平均粒子数很小。特点是查询单元中平

11、均粒子数很小。单帧单帧/多脉冲：多脉冲： 曝光间隔t与速度采样间隔Tf无关（根据速度选择t，并满足空间分辨率的要求）。 一般采用的流体测速技术高图像密度一般采用的流体测速技术高图像密度PIVPIV： 由于粒子浓度较高，每个查询窗中包含多幅粒由于粒子浓度较高，每个查询窗中包含多幅粒子图像。（图像数目很大，难以跟踪单个粒子）子图像。（图像数目很大，难以跟踪单个粒子） 将流场图像分成很多查询窗；测量局部速度就将流场图像分成很多查询窗；测量局部速度就是通过一个查询窗的数字化图像处理来进行的。对是通过一个查询窗的数字化图像处理来进行的。对矢量场的测量则是在查询窗网格中重复这一步骤来矢量场的测量则是在查询

12、窗网格中重复这一步骤来实现的。实现的。例，单帧双脉冲曝光：例，单帧双脉冲曝光：单帧双脉冲曝光：单帧双脉冲曝光：粒子对图像粒子对图像 杨氏条纹图杨氏条纹图 自相关图自相关图例：例：垂直射流垂直射流1 11mm1mm2 2查询窗图像查询窗图像（图像密度大约为（图像密度大约为N20N20 ）A 低垂直速度D 高垂直速度G 射流剪切层J 照片一角透镜扭曲 Interrogation regionImagedisplacementAuto-correlationAutocorrelationVector field. . . . Flow field Image . . . . . . . . . .

13、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .PIVPIV技术之一：技术之一：单帧多脉冲查询技术单帧多脉冲查询技术直接自相关直接自相关单帧技术带来方单帧技术带来方向不确定的问题向不确定的问题如何解决方向任意性问题如何解决方向任意性问题图像漂移技术：图像漂移技术：C1 和 C2 是同一粒子

14、两次激光脉冲生成的图?A1A2B2B1C1C2位移场位移场速度场速度场图像漂移技术：图像漂移技术：粒子位移互相关互相关帧 1帧 2查询区查询区互相关互相关矢量场矢量场PIV技术之二：技术之二：双帧双脉冲查询技术双帧双脉冲查询技术互相关：互相关：uXtuXuXmaxmaxmax0.01 1000 /maxutfor um sX速度测量的确定性程度：速度测量的确定性程度：10ns脉冲激光脉冲激光t二、一种图像处理算法：二、一种图像处理算法：基于互相关技术的图像处理算法基于互相关技术的图像处理算法： 根据灰度值区分粒子和背景像素（灰度值为i 的像素数为ni）阈值：使分布函数2B（T）达到最大 的T

15、值。iT 的像素为粒子像素，连续的粒子像素构成一个粒子的像素为粒子像素，连续的粒子像素构成一个粒子 1.1.图像粒子的标定：图像粒子的标定：粒子识别后的粒子识别后的两幅双脉冲成像图两幅双脉冲成像图连续两个时刻的原始粒子图像连续两个时刻的原始粒子图像 、 为粒子像素灰度值；为粒子像素灰度值；n、m为两幅图像粒子像素数。为两幅图像粒子像素数。2.2.连续两幅图像中粒子的对应：连续两幅图像中粒子的对应： 参考粒子和候补粒子对应两区域（查询窗）的相关参考粒子和候补粒子对应两区域（查询窗）的相关系数，式中：系数，式中： 、 为粒子像素灰度值；为粒子像素灰度值； n、m为两幅图像粒子像素数。为两幅图像粒子

16、像素数。 相关系数最大值对应的候补粒子为参考粒子自身，相关系数最大值对应的候补粒子为参考粒子自身，两区域之间的距离是粒子的位移。两区域之间的距离是粒子的位移。 yxssuvttPIVPIV互相关法误差：互相关法误差： （1 1）. .系统误差：系统误差： 不同介质折射率产生背景噪声误差。不同介质折射率产生背景噪声误差。 （2 2）. .方法误差：方法误差： 连续两幅图像之间的时间间隔和最大流速限制。连续两幅图像之间的时间间隔和最大流速限制。3.3.粒子速度的确定：粒子速度的确定： 通过增加信噪比的方法能有效减少误判断粒子数通过增加信噪比的方法能有效减少误判断粒子数量，提高测量可信度。量，提高测

17、量可信度。4.4.误对应粒子速度的判断及其消除：误对应粒子速度的判断及其消除：增加信噪比的方法：增加信噪比的方法：1 1）尽可能采用大粒径粒子；）尽可能采用大粒径粒子；2 2）照明光与接收光的方向成最佳角度；）照明光与接收光的方向成最佳角度；3 3）尽可能减少背景光反射强度；）尽可能减少背景光反射强度；4 4）采用大功率激光；）采用大功率激光； 5 5）图像处理过滤方法，将背景噪声减少到最）图像处理过滤方法，将背景噪声减少到最低限度。低限度。 由于由于PIVPIV测量的查询窗不能太大，其两幅图像间测量的查询窗不能太大，其两幅图像间隔时间的限制为（隔时间的限制为（R R为查询窗尺寸）：为查询窗尺

18、寸）：max2uRt 当时间间隔当时间间隔 t t较较小时，互相关法适应性较好。小时，互相关法适应性较好。 当测量范围和时间间隔都已确定时，则流体当测量范围和时间间隔都已确定时，则流体的流速有限制，不能超出一定的范围。的流速有限制，不能超出一定的范围。 5 5图像时间间隔和最大速度限制：图像时间间隔和最大速度限制： 1. 1.在整幅图像上划分网格，每个格子作为一个查询在整幅图像上划分网格，每个格子作为一个查询窗。窗。 2. 2.第一幅图像中选择一个查询窗，用查询窗中的第一幅图像中选择一个查询窗，用查询窗中的粒子图像与第二幅图像中各个格子的粒子图像作互相粒子图像与第二幅图像中各个格子的粒子图像作

19、互相关。关。 3. 3.相关系数最大的表示两个格子中的粒子为同相关系数最大的表示两个格子中的粒子为同一些粒子。一些粒子。双帧双脉冲双帧双脉冲PIVPIV图像处理的一般方法：图像处理的一般方法： 4. 4.两个格子的距离即查询窗中的粒子移动的平均两个格子的距离即查询窗中的粒子移动的平均距离，查询窗的数目就是速度矢量的数目。距离，查询窗的数目就是速度矢量的数目。帧 1帧 2相机曝光最小跨帧时间激光脉冲脉冲 1脉冲 2t脉冲延迟脉冲间隔三、跨帧时序三、跨帧时序：脉冲重复周期相机触发相机反馈相机曝光相机图输出脉冲延迟脉冲间隔图1输出图2输出图2曝光图1曝光激光脉冲PIV PIV 相机跨帧时序：相机跨帧

20、时序：7.3 PIV7.3 PIV的应用研究的应用研究PIVPIV应用研究应用研究泥沙沉积泥沙沉积PIVPIV应用研究应用研究火焰结构火焰结构PIVPIV应用研究应用研究火焰结构火焰结构PIVPIV应用研究应用研究内燃机内燃机PIVPIV应用研究应用研究内燃机内燃机PIVPIV应用研究应用研究内燃机内燃机PIVPIV应用研究应用研究定常射流定常射流(2D) 04 May 1997 CAVITY1.vec(2D) 04 May 1997 CAVITY1.vec原始图像原始图像速度矢量场速度矢量场PIVPIV应用研究应用研究空腔流空腔流Biomedical application(Universi

21、ty of Miami)PIVPIV应用研究应用研究模拟心脏流动模拟心脏流动101z flow diffuser12measurementregionxyPIVPIV应用研究应用研究旋转机械流动旋转机械流动平均速度场 Z=1锁相锁相PIVPIV测量测量PIVPIV应用研究应用研究旋转机械流动旋转机械流动平均速度场 Z=10PIVPIV应用研究应用研究旋转机械流动旋转机械流动PIVPIV应用研究应用研究旋转机械流动旋转机械流动Courtesy: CNRSPIV应用研究微重力燃烧测量图像场速度场PIV应用研究微重力燃烧测量2D-PIV2D-PIV3D-PIV3D-PIV3D-PIV三维三维PIV应

22、用研究应用研究旋转空气流旋转空气流三维三维PIV应用研究应用研究旋转空气流旋转空气流微流动微流动PIVPIV测量装置：测量装置：7.4 Micro PIV7.4 Micro PIVMicro PIVMicro PIV的特点：的特点：1 1） Micro PIV Micro PIV 系统采用体照明，亦即对整个流系统采用体照明，亦即对整个流场进行照明。场进行照明。 2 2）播撒于流体中的粒子为荧光染色粒子，采用）播撒于流体中的粒子为荧光染色粒子，采用荧光诱导方式成像。荧光诱导方式成像。Micro PIVMicro PIV的具体做法：的具体做法：1 1）用扩散开的激光光源整体照明流场，而播撒于流）用

23、扩散开的激光光源整体照明流场，而播撒于流体中的粒子为荧光染色粒子。激光照明的结果是流体中的粒子为荧光染色粒子。激光照明的结果是流体中的荧光物质受到激发，因而发出荧光。体中的荧光物质受到激发，因而发出荧光。 2 2）散于流体中的荧光粒子吸收某个波长的照明）散于流体中的荧光粒子吸收某个波长的照明光，散射较大波长的荧光。利用分色镜和截断滤色光，散射较大波长的荧光。利用分色镜和截断滤色镜除去照明光及其反射光，只有发出的荧光到达镜除去照明光及其反射光，只有发出的荧光到达CCDCCD感光区。感光区。 3 3）这些荧光经透镜聚焦后成像，然后再对图象）这些荧光经透镜聚焦后成像，然后再对图象进行进行PIVPIV

24、的相关分析得到速度场。的相关分析得到速度场。 4 4）另外，诱导光还有一个特性是：当入射光强）另外，诱导光还有一个特性是：当入射光强达到一定强度后，诱导出的荧光强度不再增加。这达到一定强度后，诱导出的荧光强度不再增加。这样即使光强比较大的情况，样即使光强比较大的情况，CCDCCD感受的荧光强度也感受的荧光强度也不会对它造成损伤。不会对它造成损伤。 5 5）MicroPIVMicroPIV只能靠相机镜头的景深确定图像只能靠相机镜头的景深确定图像的位置。的位置。 6 6）精确测量要求显微镜有高倍数放大率，并）精确测量要求显微镜有高倍数放大率，并且要求显微镜系统稳定不受震动干扰。且要求显微镜系统稳定

25、不受震动干扰。 微流动微流动PIVPIV布置布置 Meinhart（2000）使用PIV技术测量喷墨头喷出墨滴的瞬态流动过程喷墨打印头的微流动：喷墨打印头的微流动：微流动微流动PIVPIV测量系统测量系统 生物芯片微流动生物芯片微流动PIV PLIF PLIF （平面激光诱导荧光）和（平面激光诱导荧光）和 PIV PIV 的相似处：都采用激的相似处：都采用激光光片确定测量区域，并用精密光光片确定测量区域，并用精密CCDCCD相机收集散射相机收集散射/ /发射光。发射光。7.5 PLIF7.5 PLIFPLIF 和和PIV 的差别：的差别：PLIFPIV播撒播撒试剂 - 吸收激光频率 - 在分子

26、水平混合播撒粒子 - 反射 (散射) 激光 - 跟随流动物理过程 荧光发射MIE 散射采集光线 红移荧光弹性散射激光分析标定将像素强度与标量联系跨帧图像的互相关得到速度场常用的荧光物质：常用的荧光物质： 罗丹明罗丹明B B、罗丹明、罗丹明6G6G、荧光素钠、丙酮、荧光素钠、丙酮、 吡啶、香豆素、萘等吡啶、香豆素、萘等 速度速度/ /温度测量实验：温度测量实验： Rhodamine B 荧光染料用于荧光染料用于PLIF 温度测量。温度测量。 镀银播撒球粒子用于镀银播撒球粒子用于PIV 测量。测量。 TSI的的PIV系统可以同时测量温度场、系统可以同时测量温度场、 浓度场浓度场和速度场。和速度场。

27、例例 温度测量正面视图：温度测量正面视图：流动单元流动单元取图像区域取图像区域PIV/PLIF 同步测量：同步测量：PIVPLIF从PIV播撒粒子反射的激光从荧光染料发射顶视顶视使用使用INSIGHT 3G 软件软件 PIV 和和 PLIF 结果：结果：PLIF 测量测量射流混合：射流混合：图示射流浓度变化图示射流浓度变化(AA断面强度曲线)PLIF 测量射流混合-浓度PLIF 测量测量射流混合射流混合- 浓度：浓度：等值面图显示射流浓度变化等值面图显示射流浓度变化从图顶部射入从图顶部射入 (最大最大Y处处).PIV-PLIF 测量测量垂直射流与横向射流混合：垂直射流与横向射流混合：PIV-PLIF 同步测量：同步测量：1 1对低湍流度流体的测量精度的影响程度：对低湍流度流体的测量精度的影响程度：（1 1）LDVLDV测量跟随粒子大小具有分散性，速度的分测量跟随粒子大小具有分散性，速度的分散性带来附加湍流度。（水中散性带来附加湍流度。（水中0.5%0.5% 2%2%，气体中更严，气体中更严重）重）（2 2）热线探针热传导的效应综合在一起，统计结）热线探针热传导的效应综合在一起，统计结果湍流度偏小。果湍流度偏小。（3 3）热线风速仪的模拟电压输出经过低通滤波）热线风速仪的模拟电压输出经过低通滤波器，可能降低