粒子影像測速(PIV)技術(shù)概述

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上粒子影像測速(PIV)技術(shù)概述1.PIV技術(shù)介紹1.1.引言目前為止，人類對流體力學(xué)仍有許多疑難問題，如對湍流、非定常流動等現(xiàn)象了解甚少，而在許多工程應(yīng)用如飛行器外形設(shè)計、內(nèi)燃機(jī)燃燒室中的多相流動等中又迫切需要解決這些問題，因而使流場測量問題變得極為重要。流場測速新方法研究中，至今已發(fā)展了激光多普勒測速LDV(Laser Doppler Velocimetry)、粒子影像測速PIV(Particle Image Velocimetry)等技術(shù)。LDV的綜合性能較高，具有高精度、高分辨率和非接觸測量等優(yōu)點(diǎn)，通常作為儀器標(biāo)校技術(shù)使用，但LDV只能實現(xiàn)單點(diǎn)測量。PIV技術(shù)是

2、一種全場、動態(tài)、非接觸測量手段，已獲得廣泛使用，成功應(yīng)用于風(fēng)洞、水洞、水槽燃燒及噴射等實驗中。PIV研究始于上個世紀(jì)80年代，隨著光學(xué)和計算機(jī)圖像處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，PIV取得了長足進(jìn)步，測量精度已與LDV接近。1.2.PIV原理圖1是PIV 技術(shù)應(yīng)用的簡單原理圖。散播在流場中的跟隨性及反光性良好的示蹤粒子，由激光光束首先入射到一組球面透鏡上，經(jīng)聚焦后通過全反射鏡至一組可調(diào)的柱面透鏡形成具有一定厚度的片光，照亮流場中特定的區(qū)域，此時經(jīng)過此區(qū)域的示蹤粒子被照亮，通過CCD（CMOS）成像設(shè)備進(jìn)行成像。對這個特定的區(qū)域在一定時間間隔內(nèi)利用圖 1 PIV簡單原理圖激光脈沖連續(xù)照亮兩次，就能得到粒子在

3、第一次照亮?xí)r間t 和第二次照亮?xí)r間t的兩個圖像，對這兩幅圖像進(jìn)行互相關(guān)分析，就能得到流場內(nèi)部的二維速度矢量分布。在利用PIV 技術(shù)測量流速時,需要在二維流場中均勻散布跟隨性、反光性良好且比重與流體相當(dāng)?shù)氖聚櫫Ｗ?。將激光器產(chǎn)生的光束經(jīng)透鏡散射后形成厚度約1 mm 的片光源入射到流場待測區(qū)域,CCD 攝像機(jī)以垂直片光源的方向?qū)?zhǔn)該區(qū)域。利用示蹤粒子對光的散射作用,記錄下兩次脈沖激光曝光時粒子的圖像,形成兩幅PIV 底片(即一對相同待測區(qū)域、不同時刻的圖片) ,底片上記錄的是整個待測區(qū)域的粒子圖像。整個待測區(qū)域包含了大量的示蹤粒子,很難從兩幅圖像中分辨出同一粒子,從而無法獲得所需的位移矢量。采用圖像

4、處理技術(shù)將所得圖像分成許多很小的區(qū)域(稱為查問區(qū)),使用自相關(guān)或互相關(guān)統(tǒng)計技術(shù)求取查問區(qū)內(nèi)粒子位移的大小和方向,脈沖間隔時間已設(shè)定,粒子的速度矢量即可求出(見圖2) 。對查問區(qū)中所有粒子的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計平均可得該查問區(qū)的速度矢量,對所有查問區(qū)進(jìn)行上述判定和統(tǒng)計可得出整個速度矢量場。在實測時,對同一位置可拍攝多對曝光圖片,這樣能夠更全面、更精確地反映出整個流場內(nèi)部的流動狀態(tài)。圖 2 PIV測速原理PIV 測速是基于最直接的流體速度測量方法。在己知的時間間隔t 內(nèi),流場中某一示蹤粒子在二維平面上運(yùn)動,它在x 、y 兩個方向的位移是時間t的函數(shù)。該示蹤粒子所在處流體質(zhì)點(diǎn)的二維速度可以表示為：vx=dx

5、tdtxt+t-xtt=vxvy=dytdtyt+t-ytt=vy式中, vx, vy為流體質(zhì)點(diǎn)沿x 、y 方向的瞬時速度, vx, vy為流體質(zhì)點(diǎn)沿x 、y 方向的平均速度,t為測量的時間間隔。上式中,當(dāng)t 足夠小時, vx, vy的大小可以精確地反映 vx, vy。PIV 技術(shù)就是通過測量示蹤粒子的瞬時平均速度實現(xiàn)對二維流場的測量。1.3.PIV系統(tǒng)PIV 系統(tǒng)框圖如圖3 所示,其實現(xiàn)過程一般分為三步:通過硬件設(shè)備采集流場圖像,應(yīng)用圖像處理算法提取速度信息,顯示流場的速度矢量分布。影響PIV 測量的因素眾多并相互作用、相互牽制,需綜合考慮,實現(xiàn)高精度PIV 測量難度較大。圖 3 PIV系統(tǒng)

6、框圖一、流場圖像采集。PIV 系統(tǒng)的硬件主要有激光光源、輔助光學(xué)元器件、相機(jī)、同步器、示蹤粒子和圖像處理設(shè)備如PC 機(jī)等。多數(shù)PIV 系統(tǒng)僅能截取流場的某個切面進(jìn)行測量,需采用激光片光源照明流場。早期的相機(jī)使用膠片記錄粒子圖像(Graphic PIV) ,不僅后續(xù)處理耗時且繁瑣,也不能結(jié)合計算機(jī)圖像處理技術(shù)。近年來,隨著高分辨率、高速相機(jī)的性價比不斷提高,數(shù)字式CCD 相機(jī)已占主導(dǎo)地位(Digital PIV) 。高能、高頻脈沖式激光器的應(yīng)用則要求光源和相機(jī)在同步器的控制下配合工作。示蹤粒子的選擇和布撒是獲取流場圖像的關(guān)鍵因素。為了使粒子的運(yùn)動能夠代表流場的真實流動,對示蹤粒子的直徑大小、密度

7、、形狀、光散射性能、播撒均勻性及濃度(根據(jù)流場中粒子濃度高低可分為不同模式:LSV、PIV 和PTV ,統(tǒng)稱為PIV 技術(shù)) 等都有要求,保證粒子對流動介質(zhì)具有較好的跟隨性,并獲得高質(zhì)量的粒子圖像。在某些特殊場合,可利用流場本身含有的微小顆粒作為示蹤粒子。二、速度信息獲取。當(dāng)?shù)玫搅鲌鰣D像后,PIV 在本質(zhì)上轉(zhuǎn)化為圖像處理技術(shù)。經(jīng)過相機(jī)標(biāo)定、濾波等預(yù)處理后,通過粒子匹配算法獲得粒子在像平面上的位移,進(jìn)而計算出粒子的運(yùn)動速度矢量分布。計算粒子在圖像上的位移是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié),也是PIV 研究的難點(diǎn)。最早采用光學(xué)楊氏條紋法、自相關(guān)法等來匹配粒子圖像,但本身具有不可克服的缺點(diǎn)。目前, PIV算法一般采用灰

8、度圖像互相關(guān)法處理粒子圖像,粒子匹配率和精度較高。PIV 算法用粒子簇的運(yùn)動代替點(diǎn)運(yùn)動,適合于粒子濃度較高、粒子簇速度變化不大的場合。PTV 算法對單顆粒子識別、跟蹤并計算位移,粒子匹配率和空間分辨率較低,可通過減小粒子體積來提高空間分辨率,但同時會降低粒子的散射光強(qiáng)。比較常用的PTV 算法有:BICC ,VGT ,SPRING,42FRAM。其他還有正在發(fā)展的粒子匹配算法有拓?fù)鋱D論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊聚類方法等。三、速度矢量場顯示。經(jīng)過誤配矢量(人工或算法自動) 剔除后,得到最終數(shù)據(jù)并顯示,必要時還可使用插值算法以獲得更稠密的速度矢量分布。1.4.PIV技術(shù)的發(fā)展 流動測量新問題對PI

9、V技術(shù)提出更高要求，促使PIV研究邁向新的高度，在動態(tài)范圍、測量精度、測量時間、粒子布撒技術(shù)和圖像處理算法等方面仍存在需要研究和改進(jìn)的地方。當(dāng)前，PIV技術(shù)在以下幾個方面繼續(xù)深化。一、完善二維PIV。近幾年來，常規(guī)二維PIV的研究重點(diǎn)是發(fā)展高精度的粒子像平面位移估算方法。例如，圖像匹配策略和各種提速算法，減小測量誤差；采用亞像素定位方法提高位移估計精度，提高粒子像中心定位精度；使用形變窗口提高精度和分辨率。二、多相流PIV。由于大量多相流動現(xiàn)象的存在，發(fā)展多相流PIV成為必然趨勢。需要改進(jìn)普通PIV技術(shù)，選擇合適的示蹤粒子和恰當(dāng)?shù)恼彰鞣绞?。先轉(zhuǎn)化為單相，利用已有技術(shù)分別對單相粒子圖像進(jìn)行處理，

10、分離和轉(zhuǎn)換多相流的粒子圖像是關(guān)鍵。三、微型PIV。實現(xiàn)對微小尺度流動的速度場測量，可滿足微機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)、生物芯片等研究的需要。其原理和普通PIV相同，但在流場照明方式、粒子布撒、圖像獲取以及匹配算法等方面存在較大差別。四、三維PIV。主要針對切面三維速度場及某個容積內(nèi)三維速度場的測量。前者的技術(shù)較為成熟，后者的難度高于前者，特別是空間三維連續(xù)速度場測量技術(shù)的難度最大，對諸如非定常、非周期體三維流動研究具有重要現(xiàn)實意義。2.三維PIV技術(shù)2.1.三維PIV技術(shù)簡介當(dāng)前的許多新課題以三維流動為對象，因而更加迫切需要深入開展三維PIV研究，以更好地揭示流場內(nèi)部復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，更深刻地反映流場

11、的流動機(jī)理，從本質(zhì)上反映流場的性質(zhì)。按照光源對流場的照明方式，現(xiàn)有的三維PIV技術(shù)可分為兩大類：一是對某個切面內(nèi)三維速度的測量(2D-3C PIV，片光照明)，目的是在提取切面二維速度分量的同時獲得第三個空間速度分量；另一種技術(shù)是測量某個容積內(nèi)體流動的三維速度(3D-3C PIV，體積光照明)，實現(xiàn)真正意義上的全場三維PIV?？梢愿鶕?jù)相鄰切面的二維速度場，運(yùn)用三維流動的連續(xù)性方程計算出切面法線方向的第三個速度分量，這種方式本質(zhì)上仍屬于二維PIV方法。目前，三維PIV的主要思路是計算粒子的三維空間坐標(biāo)，經(jīng)過粒子匹配后，再根據(jù)三維空間位移，獲得粒子的三維速度矢量。2.2.2D-3C PIV原理理論

12、上講，從不少于兩部相機(jī)的粒子圖像中才能提取第三個速度分量。多數(shù)采用兩部相機(jī)兩光軸的構(gòu)成形式，模仿人眼雙目測距原理，根據(jù)成像幾何關(guān)系，計算粒子的空間坐標(biāo)。如圖4所示，Ol，Or分別表示左右相機(jī)的光學(xué)中心，f為焦距。P點(diǎn)代表被照明的真實粒子，在三維空間坐標(biāo)系OwXwYwZw下的坐標(biāo)為(Xw,Yw,Zw)，在像平面像素坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(u,v)。圖 4 2D-3C PIV原理圖幾何共線方程(粒子中心、相機(jī)光學(xué)中心和粒子像中心在一條直線上)是其理論基礎(chǔ)，反映了相機(jī)像平面坐標(biāo)與三維空間坐標(biāo)的映射關(guān)系，矩陣表達(dá)式為：suv1=fx00fy00u00v0010RTOT1XwYwZw1 簡記為K=MiMeXw

13、=MXw。其中，K為像平面坐標(biāo)向量，Xw是被照明粒子的空間坐標(biāo)向量。Mi、Me分別由相機(jī)的內(nèi)外部參數(shù)決定。首先標(biāo)定相機(jī)，確定出相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。在式中，若知道粒子的空間坐標(biāo)和圖像坐標(biāo)，即已知K和Xw，求M，這是相機(jī)的標(biāo)定過程。左右相機(jī)的標(biāo)定是分別進(jìn)行的，所有相機(jī)具有和式中相類似的表達(dá)式。測量時，K和M已知，求解Xw獲得粒子的空間坐標(biāo)。設(shè)粒子在不同時刻的空間坐標(biāo)為(Xwt1，Ywt1，Zwt1)和(Xwt2，Ywt2，Zwt2)，則它的三維速度是：U=Xwt2-Xwt1/(t2-t1)V=Ywt2-Ywt1/(t2-t1)W=Zwt2-Zwt1/(t2-t1)方向由t1時刻位置指向t2時刻位置。2

14、.2.3D-3C PIV技術(shù)由于相機(jī)基于針孔模型，物平面和CCD像平面是聚焦成像關(guān)系，離開物平面且位于景深范圍內(nèi)的粒子在像平面上是像斑圖像，之前所述的片光定義的物平面和相機(jī)像平面的幾何投影關(guān)系不再適用。下面簡單介紹兩種體流動三維速度測量方法。一、透視體三維PIV技術(shù)圖5為透視三維PIV坐標(biāo)系圖，雙相機(jī)呈正交關(guān)系放置。以物平面為參考平面，取一定深度的景深范圍構(gòu)成測量區(qū)域。對于左相機(jī)，透視射線經(jīng)過光學(xué)中心FI，和參考平面上的像斑AIi，則粒子必位于射線FIAIi上，具體空間坐標(biāo)由該射線和平面PnijII的交點(diǎn)MijI(xijI,yijI,zijI)確定。同理，該粒子在右相機(jī)形成的透視射線FIIAI

15、Ij和平面PnijI的交點(diǎn)為MijII (xijII,yijII,zijII)。理論上講，這兩點(diǎn)應(yīng)合為一點(diǎn)。實際測量時，因各種誤差的存在，使得兩條射線不能嚴(yán)格相交。此時可將兩射線的最短距離作為AIi和AIIj是否匹配的判據(jù)。相機(jī)經(jīng)過標(biāo)定后，由上述點(diǎn)線面的空間幾何關(guān)系可推導(dǎo)出粒子的空間坐標(biāo)。圖 5 透視三維PIV示意圖二、散焦三維PIV技術(shù) 散焦三維PIV技術(shù)（DDPIV）的數(shù)學(xué)模型如圖6所示，參考平面即是物平面，可成像區(qū)域Zmin=d(L-c)(c+d)。測量區(qū)域(邊長為c的矩形)內(nèi)的粒子P在CCD像平面上不再聚焦成像，而是在透鏡后面模板的作用下，成為兩個粒子像斑P和P”，它們的距離b和粒子在

16、Z軸的深度成函數(shù)關(guān)系。若采用兩孔模板，粒子在參考面前后景深范圍內(nèi)的兩個位置會在像平面上形成相同的像斑分布(參考面前靠近透鏡方向位置的散射光成像后匯聚，參考面后位置匯聚后成像)，造成對粒子Z軸深度的歧異理解?？墒褂萌啄０蹇朔@個問題，如圖7所示。與此相應(yīng)，在實測中采用三部相機(jī)代替三孔模板。圖 6 散焦PIV光學(xué)模型圖 7 三孔模板2.3.3D-3C PIV應(yīng)用舉例3D-3C PIV在各個流體力學(xué)研究領(lǐng)域均在顯示流動信息方面有重要的作用，下面的例子是其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，用于測量人造心臟瓣膜附近的流動特征。2.3.1.實驗介紹該實驗在美國明尼蘇達(dá)大學(xué)進(jìn)行，使用體三維速度測量（V3V，volumet

17、ric 3-component velocimetry）獲得人造心臟瓣膜附近的全流場信息。該人造心臟瓣膜為硅酮聚合物制成，較以往使用的金屬機(jī)械瓣膜更為柔軟，更接近人體真實瓣膜，因此需要對其附近流場進(jìn)行研究。圖8是實驗用人造心臟瓣膜的圖片。透明瓣膜管道內(nèi)徑20mm，當(dāng)瓣膜沒有變形時，上下兩片瓣膜葉片之間的間隙為1mm，當(dāng)管道中有順壓梯度流動時，瓣膜會呈橢圓形變形并打開。實驗?zāi)M的心跳速度頻率為每分鐘70次，平均流量為4.2L/min，基于管徑和流量的流速為0.22m/s，雷諾數(shù)為4200。圖 8 硅酮聚合物人造心臟瓣膜 實驗測量使用的是上文提到的散焦三維PIV技術(shù)（DDPIV），采用的是三孔模板

18、，圖9是實驗裝置示意圖。圖 9 實驗裝置示意圖實驗使用脈沖強(qiáng)度為50mJ的雙頭Nd-YAG激光器照亮粒子，并使用2個焦距為25mm的圓柱鏡片和3個500mm焦距的球形鏡片組合裝在激光光束出口處用于產(chǎn)生橢球圓錐形的激光。三孔照相機(jī)設(shè)在于入射光線呈90度距測量區(qū)域625mm的地方。激光脈沖的周期根據(jù)瞬時流量在50-1200s之間可變。使用的粒子為直徑為42微米的鍍銀空心玻璃珠。測量觀察結(jié)果的區(qū)域為一長方體，長40mm，寬和高均為18mm。一次影像捕獲可以生成400-1000向量，向量插值到網(wǎng)格點(diǎn)上，網(wǎng)格間距為2.5mm。2.3.2.實驗結(jié)果實驗得出了整個心跳周期的全場速度和壓力分布，下面僅對心臟瓣

19、膜打開和關(guān)閉的兩個特殊時間點(diǎn)的實驗結(jié)果進(jìn)行簡要的介紹。一、瓣膜打開瓣膜打開時，流動圖像如圖10（a-d）所示。在圖10a中可以看到瓣膜開口的情況，開口的寬度大約是0.37倍的內(nèi)管徑。在圖中可以看到被照亮的粒子，雖然在頂端和低端粒子較暗，但未影響速度矢量的計算。圖 10 瓣膜打開時的實驗結(jié)果圖10b是縱向中間截面的速度分布和渦量圖，得出瓣膜上游附近的最大橫向速度分量大小為5倍初始流速，流動中出現(xiàn)的上下不對稱現(xiàn)象是由脈沖出口處的不對稱情況引起的?？梢钥吹皆谕ㄟ^瓣膜后流動中出現(xiàn)了較大的對稱渦量（上半部分順時針，下半部分逆時針），液體通過瓣膜后形成一股射流噴射而出，上游的渦量擴(kuò)張成剪切層向下游發(fā)展，使

20、下游的高渦量區(qū)域擴(kuò)大。圖10c是橫向中間截面的速度分布和渦量圖，可以看到在這個方向上基本沒有渦量存在，流動在橫向的速度分量通過瓣膜后又像兩邊擴(kuò)張的趨勢，但很快恢復(fù)與初始方向相同。圖10d是沿流向速度為5倍初始速度的等速度分布面，可以看到動量在瓣膜上游很分散，但經(jīng)過瓣膜后被壓縮，變成扁平的分布，但在下游又得到擴(kuò)張。二、瓣膜關(guān)閉瓣膜關(guān)閉時，流動圖像如圖11（a-d）所示。與瓣膜打開時對比，瓣膜關(guān)閉時由于瓣膜的阻塞作用，瓣膜上游最大流向速度由5倍變?yōu)?.5倍的初始速度，并且形成了小范圍的回流，產(chǎn)生較大的渦量。從圖11d的等速度分布面來看也可以得出瓣膜的阻塞作用相當(dāng)明顯和徹底。圖 11 瓣膜關(guān)閉時的實

21、驗結(jié)果2.3.3.實驗總結(jié)該實驗通過3D-3C PIV技術(shù)成功地對小直徑的管道流進(jìn)行了測量，清晰地顯示了新研制的硅酮聚合物心臟瓣膜的使用效果，對利用流體力學(xué)技術(shù)研究醫(yī)療器材的實用性進(jìn)行了很好的闡述，開辟了3D-3C PIV技術(shù)的應(yīng)用新領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)1 楊小林等, PIV測速原理與應(yīng)用J,西華大學(xué)學(xué)報,Vol.24，No.1,2005.2 陳釗等，三維PIV原理及其實驗方法J,實驗流體力學(xué)，Vol.20，No.4,2006.3 馮旺聰?shù)?，粒子圖像測速（PIV）技術(shù)的發(fā)展J，儀器儀表用戶，1671-1041，2003.4 D. Amatya1, D. R. Troolin and E. K. Lo

22、ngmire, 3D3C Velocity Measurements Downstream of Artificial Heart ValvesJ, 8TH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON PARTICLE IMAGE VELOCIMETRY, 2009.想要的外文書下不到？找到的文獻(xiàn)下不下來？那就來一對偽學(xué)霸的資料共享店吧！網(wǎng)址：淘寶網(wǎng)：一對偽學(xué)霸的資料共享店主營：文獻(xiàn)下載、PDF外文電子書文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫：萬方、知網(wǎng)、維普、IEEE、AIAA、ACM、劍橋、Elsevier、Springer、Wiley文獻(xiàn)下載請打開：（國內(nèi)文獻(xiàn)）（國外文獻(xiàn)）店內(nèi)高清PDF電子書全網(wǎng)最低價出

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