實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)7

1、第第7章章 粒子圖像測(cè)速技術(shù)（粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）7.1 PIV系統(tǒng)的構(gòu)成系統(tǒng)的構(gòu)成7.2 PIV測(cè)速原理測(cè)速原理7.3 PIV的應(yīng)用研究的應(yīng)用研究7.4 Micro PIV7.5 PLIF實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)Particle Image Velocimetry PIVLDV 單點(diǎn)時(shí)間序列測(cè)量. 平面瞬時(shí)場測(cè)量比較兩種激光測(cè)量技術(shù)：比較兩種激光測(cè)量技術(shù)： 1. 1.脈沖激光器發(fā)出的激光通過由球面鏡和柱面鏡組脈沖激光器發(fā)出的激光通過由球面鏡和柱面鏡組成的片光源鏡頭組，形成光片照亮流場中一薄層；成的片光源鏡頭組，形成光片照亮流場中一薄層； 2. 2.在與光片垂直的方向，在與光片垂直的方向

2、，CCDCCD相機(jī)攝下在流場這個(gè)相機(jī)攝下在流場這個(gè)層面中跟隨流體一起運(yùn)動(dòng)的粒子的多次曝光圖像；層面中跟隨流體一起運(yùn)動(dòng)的粒子的多次曝光圖像； 3.將數(shù)字化圖像送入計(jì)算機(jī)，利用自相關(guān)或互相將數(shù)字化圖像送入計(jì)算機(jī)，利用自相關(guān)或互相關(guān)原理處理，得到流場中的速度分布。關(guān)原理處理，得到流場中的速度分布。 PIV PIV（Particle Image Velocimetry）即即“粒子粒子圖像速度場儀圖像速度場儀”。7.1 PIV7.1 PIV系統(tǒng)的構(gòu)成系統(tǒng)的構(gòu)成 PIV PIV測(cè)速原理：測(cè)速原理：一、照明系統(tǒng)：激光器、片光元件。一、照明系統(tǒng)：激光器、片光元件。二、成像系統(tǒng)：激光脈沖同步器、二、成像系統(tǒng)：激

3、光脈沖同步器、CCDCCD攝像機(jī)。攝像機(jī)。 三、分析系統(tǒng)：幀圖像接收器（像機(jī)接口板）和三、分析系統(tǒng)：幀圖像接收器（像機(jī)接口板）和 圖像分析軟件及計(jì)算機(jī)。圖像分析軟件及計(jì)算機(jī)。在流場中播撒粒子在流場中播撒粒子u照明流場形成片光照明流場形成片光u采集多次曝光圖象采集多次曝光圖象u成象分析得速度矢量圖成象分析得速度矢量圖 PIV系統(tǒng)組件系統(tǒng)組件: （1）雙脈沖激光器；（）雙脈沖激光器；（2）片光元件；）片光元件；（3）CCD像機(jī)；（像機(jī)；（4）同步控制器；）同步控制器； （5）幀采集卡；）幀采集卡；（6）計(jì)算機(jī)）計(jì)算機(jī) ； （7）光片；）光片； （8）播撒粒子流體。）播撒粒子流體。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、照明系統(tǒng)：一、照明系統(tǒng)：激光器類型：激光器類型： 10 mJ - 400 mJ per pulse 4 ns - 20 ns pulse durationl凍結(jié)粒子圖像 脈沖間隔時(shí)間t 范圍l測(cè)速從mm/s 到超聲速 10

5、 - 30 Hz 脈沖重復(fù)率 532 nm 波長 (倍頻)激光電源和遙控盒：激光電源和遙控盒：Nd:YAG Nd:YAG 激光器：激光器：l 兩束光的光斑應(yīng)重疊（必要時(shí)打開激光頭蓋子， 調(diào)整反射鏡角度使光斑盡量重合）。l 冷卻循環(huán)水系統(tǒng)（去離子水）保證YAG棒溫度l 開蓋自鎖，防激光傷害。u 1064nm波長輻射經(jīng)倍頻器發(fā)射光波長532nmu 單脈沖能量12mJ、寬度10nsu 脈沖間隔可調(diào)，重復(fù)頻率達(dá)15Hzl Nd:YAG棒在熱補(bǔ)償共振腔內(nèi)由閃光燈驅(qū)動(dòng)雙脈沖雙脈沖Nd:YAGNd:YAG激光器（激光器（NEW WAVENEW WAVE公司）：公司）： 雙通道激光器的激光頭和片光元件組合：雙

6、通道激光器的激光頭和片光元件組合：50100150200250300100%80%60%40%20%0%能量 Q-switch 延時(shí)同步器：同步器：協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分的工作。協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分的工作。計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)二、成像系統(tǒng)：二、成像系統(tǒng)： 激光脈沖同步器激光脈沖同步器：1 TTL相機(jī)觸發(fā)；相機(jī)觸發(fā)；2 相機(jī)快門；相機(jī)快門；3 幀采集觸發(fā)；幀采集觸發(fā)；4 視頻輸入；視頻輸入；5 外部觸發(fā)輸入；外部觸發(fā)輸入；6 脈沖監(jiān)視器；脈沖監(jiān)視器；7 閃光燈（閃光燈（#1紅）紅）8 Q-開關(guān)（開關(guān)（#1藍(lán)）；藍(lán)）；9 閃光燈（閃光燈（#2綠）；綠）；10 Q-開關(guān)（開關(guān)（#2棕）；棕）；11 外部裝置輸出（觸發(fā)外部

7、裝置輸出（觸發(fā)“Run Laser”，停止，停止“Stop”）；）；12 相機(jī)相機(jī)12V直流直流1；13 相機(jī)相機(jī)12V直流直流2；14 輸入輸入A；15 輸出輸出B；16 輸出輸出C；17 輸出輸出D；18 開關(guān)；開關(guān)；19 電源線接口；電源線接口；20 選電源電壓選電源電壓CCD像機(jī)、鏡頭及接口像機(jī)、鏡頭及接口：1、2 分別為電源和輸出狀態(tài)指示燈；分別為電源和輸出狀態(tài)指示燈；3 連接幀接收器（計(jì)算機(jī)內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換卡）；連接幀接收器（計(jì)算機(jī)內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換卡）；4 連接同步器。連接同步器。 幀圖像接收器（像機(jī)接口板）幀圖像接收器（像機(jī)接口板）;圖像分析軟件及計(jì)算機(jī)圖像分析軟件及計(jì)算機(jī)三、分析系統(tǒng)三、分

8、析系統(tǒng)：umax 1400 m/secV- componentU - componentt - 兩脈沖間隔時(shí)間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流動(dòng)平面流動(dòng)平面激光片激光片xyA. . . . . . . . . . . . .7.2 PIV7.2 PIV測(cè)速原理測(cè)速原理兩類速度計(jì)：兩類速度計(jì)： 1.1.粒子圖像速度計(jì)；粒子圖像速度計(jì)； 2.2.激光斑速度計(jì)。激光斑速度計(jì)。特征參數(shù)：特征參數(shù)： 1.1.圖像場內(nèi)每單位體積內(nèi)散射粒子的圖像場內(nèi)每單位體積內(nèi)散射粒子的濃度平均數(shù)濃度平均數(shù)C C； 2. 2.流場的尺度。流

9、場的尺度。1.1.激光斑模式激光斑模式（LSVLSV）：一、一、PIVPIV系統(tǒng)的工作模式：系統(tǒng)的工作模式：2.2.粒子示蹤模式（粒子示蹤模式（PTVPTV）：）：3.3.高圖像密度模式（高圖像密度模式（PIVPIV）：）：低圖像密度低圖像密度PIV高圖像密度高圖像密度PIV 這種模式，流體中散射粒子的濃度非常大，粒這種模式，流體中散射粒子的濃度非常大，粒子圖像重疊，產(chǎn)生隨機(jī)干涉現(xiàn)象（激光斑，子圖像重疊，產(chǎn)生隨機(jī)干涉現(xiàn)象（激光斑，Dainty Dainty 19751975）。通過測(cè)量光斑的位移來測(cè)速度。）。通過測(cè)量光斑的位移來測(cè)速度。 這種模式，流體中散射粒子的濃度足夠小，通這種模式，流體中

10、散射粒子的濃度足夠小，通過拍攝孤立的粒子軌跡來測(cè)量位移。過拍攝孤立的粒子軌跡來測(cè)量位移。 這種模式，流體中粒子的濃度介于這種模式，流體中粒子的濃度介于LSVLSV和和PTVPTV之間。之間。圖像場中每個(gè)查詢窗包含很多圖像，但不重疊。圖像場中每個(gè)查詢窗包含很多圖像，但不重疊。多幀技術(shù)多幀技術(shù)：對(duì)幀間隔為對(duì)幀間隔為Tf的周期速度場采樣。的周期速度場采樣。多幀多幀/單脈沖單脈沖 ： t只能等于Tf整數(shù)倍 （高速相機(jī)產(chǎn)生的幀數(shù)有限）低圖像密度低圖像密度PIV：單幀技術(shù)單幀技術(shù)：條紋照相法（粒子在光片中條紋照相法（粒子在光片中長長時(shí)間曝光時(shí)間曝光）。）。特點(diǎn)是查詢單元中平均粒子數(shù)很小。特點(diǎn)是查詢單元中平

11、均粒子數(shù)很小。單幀單幀/多脈沖：多脈沖： 曝光間隔t與速度采樣間隔Tf無關(guān)（根據(jù)速度選擇t，并滿足空間分辨率的要求）。 一般采用的流體測(cè)速技術(shù)高圖像密度一般采用的流體測(cè)速技術(shù)高圖像密度PIVPIV： 由于粒子濃度較高，每個(gè)查詢窗中包含多幅粒由于粒子濃度較高，每個(gè)查詢窗中包含多幅粒子圖像。（圖像數(shù)目很大，難以跟蹤單個(gè)粒子）子圖像。（圖像數(shù)目很大，難以跟蹤單個(gè)粒子） 將流場圖像分成很多查詢窗；測(cè)量局部速度就將流場圖像分成很多查詢窗；測(cè)量局部速度就是通過一個(gè)查詢窗的數(shù)字化圖像處理來進(jìn)行的。對(duì)是通過一個(gè)查詢窗的數(shù)字化圖像處理來進(jìn)行的。對(duì)矢量場的測(cè)量則是在查詢窗網(wǎng)格中重復(fù)這一步驟來矢量場的測(cè)量則是在查詢

12、窗網(wǎng)格中重復(fù)這一步驟來實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)的。例，單幀雙脈沖曝光：例，單幀雙脈沖曝光：單幀雙脈沖曝光：單幀雙脈沖曝光：粒子對(duì)圖像粒子對(duì)圖像 楊氏條紋圖楊氏條紋圖 自相關(guān)圖自相關(guān)圖例：例：垂直射流垂直射流1 11mm1mm2 2查詢窗圖像查詢窗圖像（圖像密度大約為（圖像密度大約為N20N20 ）A 低垂直速度D 高垂直速度G 射流剪切層J 照片一角透鏡扭曲 Interrogation regionImagedisplacementAuto-correlationAutocorrelationVector field. . . . Flow field Image . . . . . . . . . .

13、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .PIVPIV技術(shù)之一：技術(shù)之一：單幀多脈沖查詢技術(shù)單幀多脈沖查詢技術(shù)直接自相關(guān)直接自相關(guān)單幀技術(shù)帶來方單幀技術(shù)帶來方向不確定的問題向不確定的問題如何解決方向任意性問題如何解決方向任意性問題圖像漂移技術(shù)：圖像漂移技術(shù)：C1 和 C2 是同一粒子

14、兩次激光脈沖生成的圖?A1A2B2B1C1C2位移場位移場速度場速度場圖像漂移技術(shù)：圖像漂移技術(shù)：粒子位移互相關(guān)互相關(guān)幀 1幀 2查詢區(qū)查詢區(qū)互相關(guān)互相關(guān)矢量場矢量場PIV技術(shù)之二：技術(shù)之二：雙幀雙脈沖查詢技術(shù)雙幀雙脈沖查詢技術(shù)互相關(guān)：互相關(guān)：uXtuXuXmaxmaxmax0.01 1000 /maxutfor um sX速度測(cè)量的確定性程度：速度測(cè)量的確定性程度：10ns脈沖激光脈沖激光t二、一種圖像處理算法：二、一種圖像處理算法：基于互相關(guān)技術(shù)的圖像處理算法基于互相關(guān)技術(shù)的圖像處理算法： 根據(jù)灰度值區(qū)分粒子和背景像素（灰度值為i 的像素?cái)?shù)為ni）閾值：使分布函數(shù)2B（T）達(dá)到最大 的T

15、值。iT 的像素為粒子像素，連續(xù)的粒子像素構(gòu)成一個(gè)粒子的像素為粒子像素，連續(xù)的粒子像素構(gòu)成一個(gè)粒子 1.1.圖像粒子的標(biāo)定：圖像粒子的標(biāo)定：粒子識(shí)別后的粒子識(shí)別后的兩幅雙脈沖成像圖兩幅雙脈沖成像圖連續(xù)兩個(gè)時(shí)刻的原始粒子圖像連續(xù)兩個(gè)時(shí)刻的原始粒子圖像 、 為粒子像素灰度值；為粒子像素灰度值；n、m為兩幅圖像粒子像素?cái)?shù)。為兩幅圖像粒子像素?cái)?shù)。2.2.連續(xù)兩幅圖像中粒子的對(duì)應(yīng)：連續(xù)兩幅圖像中粒子的對(duì)應(yīng)： 參考粒子和候補(bǔ)粒子對(duì)應(yīng)兩區(qū)域（查詢窗）的相關(guān)參考粒子和候補(bǔ)粒子對(duì)應(yīng)兩區(qū)域（查詢窗）的相關(guān)系數(shù)，式中：系數(shù)，式中： 、 為粒子像素灰度值；為粒子像素灰度值； n、m為兩幅圖像粒子像素?cái)?shù)。為兩幅圖像粒子

16、像素?cái)?shù)。 相關(guān)系數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的候補(bǔ)粒子為參考粒子自身，相關(guān)系數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的候補(bǔ)粒子為參考粒子自身，兩區(qū)域之間的距離是粒子的位移。兩區(qū)域之間的距離是粒子的位移。 yxssuvttPIVPIV互相關(guān)法誤差：互相關(guān)法誤差： （1 1）. .系統(tǒng)誤差：系統(tǒng)誤差： 不同介質(zhì)折射率產(chǎn)生背景噪聲誤差。不同介質(zhì)折射率產(chǎn)生背景噪聲誤差。 （2 2）. .方法誤差：方法誤差： 連續(xù)兩幅圖像之間的時(shí)間間隔和最大流速限制。連續(xù)兩幅圖像之間的時(shí)間間隔和最大流速限制。3.3.粒子速度的確定：粒子速度的確定： 通過增加信噪比的方法能有效減少誤判斷粒子數(shù)通過增加信噪比的方法能有效減少誤判斷粒子數(shù)量，提高測(cè)量可信度。量，提高測(cè)

17、量可信度。4.4.誤對(duì)應(yīng)粒子速度的判斷及其消除：誤對(duì)應(yīng)粒子速度的判斷及其消除：增加信噪比的方法：增加信噪比的方法：1 1）盡可能采用大粒徑粒子；）盡可能采用大粒徑粒子；2 2）照明光與接收光的方向成最佳角度；）照明光與接收光的方向成最佳角度；3 3）盡可能減少背景光反射強(qiáng)度；）盡可能減少背景光反射強(qiáng)度；4 4）采用大功率激光；）采用大功率激光； 5 5）圖像處理過濾方法，將背景噪聲減少到最）圖像處理過濾方法，將背景噪聲減少到最低限度。低限度。 由于由于PIVPIV測(cè)量的查詢窗不能太大，其兩幅圖像間測(cè)量的查詢窗不能太大，其兩幅圖像間隔時(shí)間的限制為（隔時(shí)間的限制為（R R為查詢窗尺寸）：為查詢窗尺

18、寸）：max2uRt 當(dāng)時(shí)間間隔當(dāng)時(shí)間間隔 t t較較小時(shí)，互相關(guān)法適應(yīng)性較好。小時(shí)，互相關(guān)法適應(yīng)性較好。 當(dāng)測(cè)量范圍和時(shí)間間隔都已確定時(shí)，則流體當(dāng)測(cè)量范圍和時(shí)間間隔都已確定時(shí)，則流體的流速有限制，不能超出一定的范圍。的流速有限制，不能超出一定的范圍。 5 5圖像時(shí)間間隔和最大速度限制：圖像時(shí)間間隔和最大速度限制： 1. 1.在整幅圖像上劃分網(wǎng)格，每個(gè)格子作為一個(gè)查詢?cè)谡鶊D像上劃分網(wǎng)格，每個(gè)格子作為一個(gè)查詢窗。窗。 2. 2.第一幅圖像中選擇一個(gè)查詢窗，用查詢窗中的第一幅圖像中選擇一個(gè)查詢窗，用查詢窗中的粒子圖像與第二幅圖像中各個(gè)格子的粒子圖像作互相粒子圖像與第二幅圖像中各個(gè)格子的粒子圖像作

19、互相關(guān)。關(guān)。 3. 3.相關(guān)系數(shù)最大的表示兩個(gè)格子中的粒子為同相關(guān)系數(shù)最大的表示兩個(gè)格子中的粒子為同一些粒子。一些粒子。雙幀雙脈沖雙幀雙脈沖PIVPIV圖像處理的一般方法：圖像處理的一般方法： 4. 4.兩個(gè)格子的距離即查詢窗中的粒子移動(dòng)的平均兩個(gè)格子的距離即查詢窗中的粒子移動(dòng)的平均距離，查詢窗的數(shù)目就是速度矢量的數(shù)目。距離，查詢窗的數(shù)目就是速度矢量的數(shù)目。幀 1幀 2相機(jī)曝光最小跨幀時(shí)間激光脈沖脈沖 1脈沖 2t脈沖延遲脈沖間隔三、跨幀時(shí)序三、跨幀時(shí)序：脈沖重復(fù)周期相機(jī)觸發(fā)相機(jī)反饋相機(jī)曝光相機(jī)圖輸出脈沖延遲脈沖間隔圖1輸出圖2輸出圖2曝光圖1曝光激光脈沖PIV PIV 相機(jī)跨幀時(shí)序：相機(jī)跨幀

20、時(shí)序：7.3 PIV7.3 PIV的應(yīng)用研究的應(yīng)用研究PIVPIV應(yīng)用研究應(yīng)用研究泥沙沉積泥沙沉積PIVPIV應(yīng)用研究應(yīng)用研究火焰結(jié)構(gòu)火焰結(jié)構(gòu)PIVPIV應(yīng)用研究應(yīng)用研究火焰結(jié)構(gòu)火焰結(jié)構(gòu)PIVPIV應(yīng)用研究應(yīng)用研究內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)PIVPIV應(yīng)用研究應(yīng)用研究內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)PIVPIV應(yīng)用研究應(yīng)用研究內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)PIVPIV應(yīng)用研究應(yīng)用研究定常射流定常射流(2D) 04 May 1997 CAVITY1.vec(2D) 04 May 1997 CAVITY1.vec原始圖像原始圖像速度矢量場速度矢量場PIVPIV應(yīng)用研究應(yīng)用研究空腔流空腔流Biomedical application(Universi

21、ty of Miami)PIVPIV應(yīng)用研究應(yīng)用研究模擬心臟流動(dòng)模擬心臟流動(dòng)101z flow diffuser12measurementregionxyPIVPIV應(yīng)用研究應(yīng)用研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械流動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械流動(dòng)平均速度場 Z=1鎖相鎖相PIVPIV測(cè)量測(cè)量PIVPIV應(yīng)用研究應(yīng)用研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械流動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械流動(dòng)平均速度場 Z=10PIVPIV應(yīng)用研究應(yīng)用研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械流動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械流動(dòng)PIVPIV應(yīng)用研究應(yīng)用研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械流動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械流動(dòng)Courtesy: CNRSPIV應(yīng)用研究微重力燃燒測(cè)量圖像場速度場PIV應(yīng)用研究微重力燃燒測(cè)量2D-PIV2D-PIV3D-PIV3D-PIV3D-PIV三維三維PIV應(yīng)

22、用研究應(yīng)用研究旋轉(zhuǎn)空氣流旋轉(zhuǎn)空氣流三維三維PIV應(yīng)用研究應(yīng)用研究旋轉(zhuǎn)空氣流旋轉(zhuǎn)空氣流微流動(dòng)微流動(dòng)PIVPIV測(cè)量裝置：測(cè)量裝置：7.4 Micro PIV7.4 Micro PIVMicro PIVMicro PIV的特點(diǎn)：的特點(diǎn)：1 1） Micro PIV Micro PIV 系統(tǒng)采用體照明，亦即對(duì)整個(gè)流系統(tǒng)采用體照明，亦即對(duì)整個(gè)流場進(jìn)行照明。場進(jìn)行照明。 2 2）播撒于流體中的粒子為熒光染色粒子，采用）播撒于流體中的粒子為熒光染色粒子，采用熒光誘導(dǎo)方式成像。熒光誘導(dǎo)方式成像。Micro PIVMicro PIV的具體做法：的具體做法：1 1）用擴(kuò)散開的激光光源整體照明流場，而播撒于流）用

23、擴(kuò)散開的激光光源整體照明流場，而播撒于流體中的粒子為熒光染色粒子。激光照明的結(jié)果是流體中的粒子為熒光染色粒子。激光照明的結(jié)果是流體中的熒光物質(zhì)受到激發(fā)，因而發(fā)出熒光。體中的熒光物質(zhì)受到激發(fā)，因而發(fā)出熒光。 2 2）散于流體中的熒光粒子吸收某個(gè)波長的照明）散于流體中的熒光粒子吸收某個(gè)波長的照明光，散射較大波長的熒光。利用分色鏡和截?cái)酁V色光，散射較大波長的熒光。利用分色鏡和截?cái)酁V色鏡除去照明光及其反射光，只有發(fā)出的熒光到達(dá)鏡除去照明光及其反射光，只有發(fā)出的熒光到達(dá)CCDCCD感光區(qū)。感光區(qū)。 3 3）這些熒光經(jīng)透鏡聚焦后成像，然后再對(duì)圖象）這些熒光經(jīng)透鏡聚焦后成像，然后再對(duì)圖象進(jìn)行進(jìn)行PIVPIV

24、的相關(guān)分析得到速度場。的相關(guān)分析得到速度場。 4 4）另外，誘導(dǎo)光還有一個(gè)特性是：當(dāng)入射光強(qiáng)）另外，誘導(dǎo)光還有一個(gè)特性是：當(dāng)入射光強(qiáng)達(dá)到一定強(qiáng)度后，誘導(dǎo)出的熒光強(qiáng)度不再增加。這達(dá)到一定強(qiáng)度后，誘導(dǎo)出的熒光強(qiáng)度不再增加。這樣即使光強(qiáng)比較大的情況，樣即使光強(qiáng)比較大的情況，CCDCCD感受的熒光強(qiáng)度也感受的熒光強(qiáng)度也不會(huì)對(duì)它造成損傷。不會(huì)對(duì)它造成損傷。 5 5）MicroPIVMicroPIV只能靠相機(jī)鏡頭的景深確定圖像只能靠相機(jī)鏡頭的景深確定圖像的位置。的位置。 6 6）精確測(cè)量要求顯微鏡有高倍數(shù)放大率，并）精確測(cè)量要求顯微鏡有高倍數(shù)放大率，并且要求顯微鏡系統(tǒng)穩(wěn)定不受震動(dòng)干擾。且要求顯微鏡系統(tǒng)穩(wěn)定

25、不受震動(dòng)干擾。 微流動(dòng)微流動(dòng)PIVPIV布置布置 Meinhart（2000）使用PIV技術(shù)測(cè)量噴墨頭噴出墨滴的瞬態(tài)流動(dòng)過程噴墨打印頭的微流動(dòng)：噴墨打印頭的微流動(dòng)：微流動(dòng)微流動(dòng)PIVPIV測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng) 生物芯片微流動(dòng)生物芯片微流動(dòng)PIV PLIF PLIF （平面激光誘導(dǎo)熒光）和（平面激光誘導(dǎo)熒光）和 PIV PIV 的相似處：都采用激的相似處：都采用激光光片確定測(cè)量區(qū)域，并用精密光光片確定測(cè)量區(qū)域，并用精密CCDCCD相機(jī)收集散射相機(jī)收集散射/ /發(fā)射光。發(fā)射光。7.5 PLIF7.5 PLIFPLIF 和和PIV 的差別：的差別：PLIFPIV播撒播撒試劑 - 吸收激光頻率 - 在分子

26、水平混合播撒粒子 - 反射 (散射) 激光 - 跟隨流動(dòng)物理過程 熒光發(fā)射MIE 散射采集光線 紅移熒光彈性散射激光分析標(biāo)定將像素強(qiáng)度與標(biāo)量聯(lián)系跨幀圖像的互相關(guān)得到速度場常用的熒光物質(zhì)：常用的熒光物質(zhì)： 羅丹明羅丹明B B、羅丹明、羅丹明6G6G、熒光素鈉、丙酮、熒光素鈉、丙酮、 吡啶、香豆素、萘等吡啶、香豆素、萘等 速度速度/ /溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)：溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)： Rhodamine B 熒光染料用于熒光染料用于PLIF 溫度測(cè)量。溫度測(cè)量。 鍍銀播撒球粒子用于鍍銀播撒球粒子用于PIV 測(cè)量。測(cè)量。 TSI的的PIV系統(tǒng)可以同時(shí)測(cè)量溫度場、系統(tǒng)可以同時(shí)測(cè)量溫度場、 濃度場濃度場和速度場。和速度場。

27、例例 溫度測(cè)量正面視圖：溫度測(cè)量正面視圖：流動(dòng)單元流動(dòng)單元取圖像區(qū)域取圖像區(qū)域PIV/PLIF 同步測(cè)量：同步測(cè)量：PIVPLIF從PIV播撒粒子反射的激光從熒光染料發(fā)射頂視頂視使用使用INSIGHT 3G 軟件軟件 PIV 和和 PLIF 結(jié)果：結(jié)果：PLIF 測(cè)量測(cè)量射流混合：射流混合：圖示射流濃度變化圖示射流濃度變化(AA斷面強(qiáng)度曲線)PLIF 測(cè)量射流混合-濃度PLIF 測(cè)量測(cè)量射流混合射流混合- 濃度：濃度：等值面圖顯示射流濃度變化等值面圖顯示射流濃度變化從圖頂部射入從圖頂部射入 (最大最大Y處處).PIV-PLIF 測(cè)量測(cè)量垂直射流與橫向射流混合：垂直射流與橫向射流混合：PIV-PLIF 同步測(cè)量：同步測(cè)量：1 1對(duì)低湍流度流體的測(cè)量精度的影響程度：對(duì)低湍流度流體的測(cè)量精度的影響程度：（1 1）LDVLDV測(cè)量跟隨粒子大小具有分散性，速度的分測(cè)量跟隨粒子大小具有分散性，速度的分散性帶來附加湍流度。（水中散性帶來附加湍流度。（水中0.5%0.5% 2%2%，氣體中更嚴(yán)，氣體中更嚴(yán)重）重）（2 2）熱線探針熱傳導(dǎo)的效應(yīng)綜合在一起，統(tǒng)計(jì)結(jié)）熱線探針熱傳導(dǎo)的效應(yīng)綜合在一起，統(tǒng)計(jì)結(jié)果湍流度偏小。果湍流度偏小。（3 3）熱線風(fēng)速儀的模擬電壓輸出經(jīng)過低通濾波）熱線風(fēng)速儀的模擬電壓輸出經(jīng)過低通濾波器，可能降低