粒子图像测速技术

粒子图像测速技术（PIV）1．PIV简介粒子图像测速技术(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。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1.粒子图像测速技术2．PIV的原理PIV技术原理简单，就是在流场中撤入示踪粒子，以粒子速度代表其所在流场内相应位置处流体的运动速度．应用强光(片形光束)照射流场中的一个测试平面，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)。3．PIV系统组成PIV系统通常由三部分组成,每一部分的要求都相当严格。图2.粒子图像测速系统结构（1）直接反映流场流动的示踪粒子。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,一般为拜m量级。常用的示踪粒子有聚苯乙烯、铝、镁、二氧化钦、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钦、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。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。（2）成像系统。双脉冲激光片光源、透镜和照相机构成PIV的成像系统。用于照射动态微粒场的片光源由脉冲激光通过透镜形成,拍摄粒子场照片的相机垂直于片光。曝光脉冲要尽可能的短,曝光间隔即左能够随流场速度及其分辨由于粒子稀疏，使得可提取的流场速度信息较少，限制了对流场细微结构的研究．此外PTV取得原始速度向量点的位置是随机分布的(PIV被认为是按网格状分布的)，需要内捕建立网格表示图．但是PTV算法似乎比PIV算法更容易从二维推广至三维。5．三维PIV(3D—PIV)技术前面介绍的PIV方法采用的是片光束照明方式，因此只能测量局限于片形光束所照明的二维平面内的速度分布．而实际上三维流场的三维速度分布测量才是PIV技术的最终目标．关于三维流速的测量方法，目前主要有全息照相(摄像)法、立体照相(摄像)法及二维加一维法(2D+ID)法等．5．1全息照相法(holographicparticleimagevelocimetry,HPIV)根据全息照相(摄像)的原理获得全息图像，由于全息图像把流场的三维速度场瞬时凝固在一张全息胶片中，通过分层再现，既可提取流场的三维信息．全息照相仅是记录粒子运动的手段，其处理方法还是依靠PIV或PTv技术和三维重建理论。HPIV由于涉及到复杂的光路系统，对设备及环境的要求较为苛亥U，距离实际应用还有一段距离。5．2立体照相(摄像)法体视摄像法研究较多，该法是用2台或多台相机从不同方位记录被照明流场的一个切面，根据两相机空间位置投影关系和视差，把两相机的2个二维坐标映射为空间一点的三维坐标，把两相机的两个二维位移场映射为空间一点的三维位移场，完成粒子空间位移场和速度场的重建137J．应当说目前Adrain的工作代表了此领域的最高水平．国内以jE航申功忻教授为领导的课题小组在3D·PIV的研究方面也进行了开创性的工作。5．32D+1D法是切面内二维测量和纵向(离面)一维测量相结合的三维速度测量方法，又可分为粒子跟踪色谱法、粒子跟踪光强梯度法、粒子跟踪温度梯度法以及实验与数值相结合的方法(在获得多个平行切面二维速度场的情况下，利用不可压缩性流体的连续性方程求得纵向流速分布)等。6PIV的优势PIV的突出优点表现在：(1)突破了空间单点测量(如LDV)的局限性，实现了全流场瞬态测量