spiv技术与示踪粒子课件

SPIV技术与示踪粒子SPIV技术与示踪粒子SPIV技术SPIV系统的基本组成SPIV三维测速的基本原理测速的简单例子SPIV技术SPIV系统的基本组成测速的简单例子SPIV系统的基本组成Nd:YAG双脉冲激光器同步器互/自相关CCD照相机高速图像采集卡图像分析处理软件SPIV系统的基本组成Nd:YAG双脉冲激光器对激光的要求及注意事项流场测试面激光片光平面xyA................................................................................................................................................................................................................................................

InterrogationArea目前的PIV，严格来说还只是2D，即对某个切面进行测量SPIV：2D—3cPIV对激光的要求及注意事项流场测试面激光片光平面xyA...对激光的要求及注意事项片光形成光路

对激光的要求及注意事项片光形成光路对激光的要求及注意事项脉冲持续时间和脉冲时间间隔

约为5~8ns否则记录的是轨迹200ns~几秒

保证两次曝光时间间隔内还有足够百分比的粒子仍在判读小区内，决定测速范围对激光的要求及注意事项脉冲持续时间和脉冲时间间隔spiv技术与示踪粒子ppt课件对激光的要求及注意事项片光厚度1.片光光强呈高斯分布

散射效率最大化，散射光强与入射光强成正比2.保证在两次曝光时间间隔内有足够百分比的粒子仍在片光内。对激光的要求及注意事项片光厚度对激光的要求及注意事项激光的功率和单位脉冲能量

取决于观测流场大小，粒子大小，流动速度CCD相机灵敏度

一般：60~250mJ对激光的要求及注意事项激光的功率和单位脉冲能量对CCD照相机的要求分辨率

测速范围，数据点个数帧率

普通相机：两次曝光图像记录在同一帧

约30帧/s

跨帧相机：分别记录，延时200ns~20μs

高速CMOS相机：实时测量，10000帧/s镜面与CCD平面夹角可变对CCD照相机的要求分辨率SPIV三维测速的基本原理

立体摄影

通过多台相机得到不同角度方向的图像三维重建

笛卡尔空间到射影空间的坐标变换SPIV三维测速的基本原理

立体摄影立体摄影1.透镜平移法优点：放大率为常数，无非线性畸变立体摄影1.透镜平移法优点：放大率为常数，无非线性畸变立体摄影2.透镜倾斜法（同侧）布局容易，但放大率对各个区域不同，需几何校正立体摄影2.透镜倾斜法（同侧）布局容易，但放大率对各个区域不立体摄影2.透镜倾斜法（异侧）在流场之外测量，具有灵活性，可重复性高立体摄影2.透镜倾斜法（异侧）在流场之外测量，具有灵活性，可透镜倾斜法透镜倾斜法的光路

三面共线Scheimflug条件

透镜倾斜法透镜倾斜法的光路Scheimflug条件

成像规律物点（x，y）像点：

Scheimflug条件

成像规律Scheimflug条件如何实现：校准靶(Calibrationtarget)代替实际片光然后调整CCD满足Scheimflug条件判别方法：直接计算观察成像亮度是否均匀运用2D—PIV分析Scheimflug条件如何实现：SPIV三维重建理论SPIV三维重建理论SPIV三维重建理论SPIV三维重建理论SPIV三维重建理论SPIV三维重建理论SPIV三维重建理论几点说明

1.实际在由立体摄影得到的图像求解三维速度向量时，PIV设备中都有现成的软件。

2.用立体摄影，但是只关心二维速度向量被很多人采用。误差小，简单可重复（不用反复对焦）。Z向速度分量会带来误差SPIV三维重建理论几点说明示踪粒子对示踪粒子的要求

跟随性，散射性，悬浮性等常见的示踪粒子

液体流场，气体流场示踪粒子的产生和布撒

液滴，固态粉末示踪粒子对示踪粒子的要求对示踪粒子的要求

跟随性：

Relaxationtime：粒径越小，跟随性越好。但是不能太小，不然布朗运动会影响实验精度一般情况：d=0.2μm~10μm（气体）对示踪粒子的要求

跟随性：对示踪粒子的要求散射性：

散射效率与下列因素有关：1.粒子和环境折射率的比值2.粒子大小3.粒子形状4.散射方向D<λ：RayleighscatteringregimeD>λ：Mie’sScatteringTheory对示踪粒子的要求散射性：散射性

1μmoilparticleinair散射性1μmoilparticleinair散射性10μmoilparticleinair散射性10μmoilparticleinair散射性粒径越大，散射性能越好由于照明光强有限，CCD器件的感光灵敏度和空间分辨率有限，要将粒子图像记录下来，要求粒子直径越大越好0，90，180下散射强度一般比较大

实际常常选择90度，即垂直片光方向。散射性粒径越大，散射性能越好对示踪粒子的要求悬浮性：

主要是密度与流体密度相比较，当然是越相近越好。否则要考虑沉浮速度的问题。根据实验需求合理选择粒子FOV，激光强度，实验段风速，非定常等

对涡流动，还要考虑离心力的影响，惯性（质量）不能过大，不然会出现“黑洞现象”。对示踪粒子的要求悬浮性：常见示踪粒子Forliquidflow：

常见示踪粒子Forliquidflow：常见示踪粒子Forgasflow：常见示踪粒子Forgasflow：常见示踪粒子MaterialDensity(g/ml)Refractionindex(20℃)Polystyrene（聚苯乙烯）1.051.59甘油（glycerin）1.23161.47Dioctylphthalate（邻苯二甲酸二辛酯）0.983-0.9851.486-1.487丙二醇1.05971.4398硅油约为11.4-1.5癸二酸二异辛酯(DEHS)0.913-0.9191.449-1.452密度及折射率常见示踪粒子MaterialDensity(g/ml)Ref示踪粒子的产生和布撒液滴：

两类方法：

蒸发冷凝高压气流冲击特点：

粒径小，但是不稳定，易冷凝，易污染视窗示踪粒子的产生和布撒液滴：液态粒子Laskinnozzle：1μm左右

液态粒子Laskinnozzle：1μm左右示踪粒子的产生和布撒固体粉末：

射流或者旋风分离器

特点：

粒子很稳定，但是容易产生聚集

如何防止固体粉末聚集成团是关键

聚集的影响因素：

湿度，表面摩擦系数等

示踪粒子的产生和布撒固体粉末：固态粒子Fluidizedbedseedingdevice依靠出口的强劲气流将固体粉末打散固态粒子Fluidizedbedseedingdevi示踪粒子的产生和布撒氦气泡：1~3mm

粒径越大，散射性越好，但跟随性和悬浮性越差。氦气泡在增大直径时，密度显著减小，一举两得。泡沫液成分：

水，甘油，肥皂示踪粒子的产生和布撒氦气泡：1~3mm粒径越大，散射性越好，示踪粒子投放的注意点粒子浓度：n粒子对数，多于4~12n太大，记录的是粒子群的散斑图像（LSV）n太小，跟踪单个粒子（PTV）

示踪粒子投放的注意点粒子浓度：PIV的发展方向Micro—PIV将PIV运用到微观领域Time—resolvedPIV

实时，定量，三维记录流场信息

运用高速摄影装置，如CMOSCamera