北京航空航天大学五系流体力学实验PIV实验报告

北京航宝航夭大擘BEIHANGUNIVERSITY研究生《流体力学实验》——粒子成像测速（PIV）技术

实验报告班级姓名实验日期3月23日指导教师北京航空航天大学流体力学研究所一、实验目的利用粒子成像测速技术测量二维流场速度分布。利用matlab中FFT实行互相关运算记录流场速度分布。二、基本原理粒子成像测速技术(ParticleImageVelocimetry)是一种全流场测速技术，可测得流场中某一截面上的瞬时二维速度矢量分布，体视PIV可获取三维速度分量。三、实验步骤1.实验流程如下图结果2.系统构成：粒子及投放装置；双脉冲激光器；图像记录设备；信息处理系统光源系统：激光器+片光系统=激光片光要求：要求短时间内(脉冲宽度5ns)保证大量的光能(20mJ--500mJ)；脉冲时间间隔能够视流速大小而变化，范围要求：1us--若干ms；脉冲激光器典型重复频率为10-30Hz(激光器蓄能需要时间)；双脉冲Nd:YAG激光器，脉冲时间间隔△《=1-150us，重复频率15Hz,适合高速气流速度的测量。

结果其中：t:脉冲时间间隔T:单个激光器脉冲重复时间T:脉冲宽度图像记录设备（CCD相机）CCD—ChargeCoupledDevice:电荷耦合元件或CCD图像传感器，CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高°CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD阵列的空间分辨率至少比摄影胶片低两个量级。CCD按加工工艺分为两种：TTL和CMOS，TTL工艺成像质量要优于CMOS工艺；CMOS成像和信息存储、传输速度快，用于高速高频响PIV。而CCD的信号存储和传输：像素一存储区：500ns，存储区一PC:33ms，跨帧技术如下图所示LightsenstovepixelsJnterimeshiftresisters

ECCD孩inwmf地m巳也说:Listrligtiipu】邸n-]Chargetransferperiod因此对CCD相机的性能要求：记录图像序列，一帧帧连续排列；高空间分辨率；高速捕获多帧图像；高感光度。n-]Chargetransferperiod信息处理系统：计算机四、实验注意事项示踪粒子选择两个依据：散射光强度和粒子跟随性♦粒子光散射特性充速度Up席子为球形，低雷诺数假设下，ry希望粒径大。于光的漫射大约正比于1/r2,粒子跟随性粒子跟随性粒p兀pr3U6兀目UrStocks方程求充速度Up席子为球形，低雷诺数假设下，ry希望粒径大。于光的漫射大约正比于1/r2,粒子跟随性粒子跟随性粒p兀pr3U6兀目UrStocks方程求及与流体密度不同引起的粒子沉浮速度：U=d2少gp18口故从此方面希望粒径小点。故要求液体中粒径10-20um综合性能好，常用粒子有聚苯乙烯(10-100um);铝粉(2-7um);空心玻璃球(10-100um).相机调节和标定在PIV实验中，会同时有多台相机分别以一定视角对实验区域成像。当相机以一定视角对着被摄区域时，被摄平面的两端到镜头的距离是不同的。由于镜头具有景深，对焦时可能被摄平面的两端无法同时落入镜头的景深内，就会导致成像总有一部分区域是模糊的。这时就需要调节镜头的角度，使被摄平面、镜头平面和像平面满足Scheimpflug条件，就可以解决景深对有视角成像的不利影响，看到整幅清晰的图像。FieldolViewr—i阴Plana/ImagePlan;ObjectPlane(Lighlsheel)PlansolBestFocus^Vmatlab实现平面互相关算法互相关函数的计算有两种途径：直接互相关计算，计算量O(N2*N2)和利用FFT进行互相关计算，计算量O(N2log2N)，本实验利用FFT计算，要求两个询问区必须是(NXN)的正方形，且FieldolViewr—i阴Plana/ImagePlan;ObjectPlane(Lighlsheel)PlansolBestFocus^VFig,5.&AnalysisofdoubleFrame/singleexposurerecordings:thedigitalcrosscorrelationmethod.要求粒子在脉冲时间间隔内运动的位移必须小于查询区边长的1/4；为提高空间分辨率，可取相邻查询区50%的重叠；每个询问区的粒子数量：至少3-4个，10-15较佳。互相关的优化包括利用高斯拟合进行亚像素内插。下面是matlab程序：t=1/180;i=1;fangdabeishu=1;type='.tif';fornumber=1:20ifnumber<10filename='C001H001S000100000';elsefilename='C001H001S00010000';endP(:，：，i)=imread([filename,num2str(number),type]);ifi==1i=i+1;elseP1=P(:，：，i-1);P2=P(:，：，i);[height,width]=size(P1);W=32;bushu=32;m=32;n=32;M=(height-W-2火m)/bushu+1;N=(width-W-2火n)/bushu+1;[u,v]=huxiangguanyunsuan(P1,P2,t,fangdabeishu,W,bushu,m,n,M,N);U(:，：，i-1)=u;V(:，：，i-1)=v;i=i+1;endend[X,Y]=meshgrid((1:N),(M：-1:1));figure,quiver(X,Y,U(:,:,1),V(:,:,1),2,'b')function[u,v]=huxiangguanyunsuan(P1,P2,t,magnification,ws,step,m,n,M,N);u=zeros(M,N);v=zeros(M,N);fori1=0:M-1forj1=0:N-1I1=P1(step*i1+m+1:step*i1+m+ws,step*j1+n+1:step*j1+n+ws);I2=P2(step*i1+1:step*i1+ws+2火m,step*j1+1:step*j1+ws+2火n);C=normxcorr2(I1,I2);C=C((2*(ws+m))/2-m:(2*(ws+m))/2+m,(2*(ws+n))/2-n:(2*(ws+n))/2+n);[x0,y0]=nihe(C);x=x0-n-1;y=m+1-y0;u(i1+1,j1+1)=x*magnification/t;v(i1+1,j1+1)=y*magnification/t;endendendfunction[x0,y0]=nihe(A)m=(size(A,1)-1)/2;n=(size(A,2)-1)/2;[i,j]=find(A==max(A(:)));if(i==1|i==size(A,1))&(j==1|j==size(A,2))y0=i;x0=j;elseifi==1|i==size(A,1)y0=i;x0=j+(log(A(i,j-1))-log(A(i,j+1)))/(2*log(A(i,j-1))-4*log(A(i,j))+2*log(A(i,j+1)));elseifj==1|j==size(A,2)y0=i+(log10(A(i-1,j))-log(A(i+1,j)))/(2*log(A(i-1,j))-4*log(A(i,j))+2*log(A(i+1,j)));x0=j;elsey0=i+(log(A(i-1,j))-log(A(i+1,j)))/(2*log(A(i-1,j))-4*log(A(i,j))+2*log(A(i+1,j)));x0=j+(log(A(i,j-1))-log(A(i,j+1)))/(2*log(A(i,j-1))-4*log(A(i,j))+2*log(A(i,j+1)));endend

实验测得速度场:40%10203040506070人工合成速度场：-10010203040508070五、实