實驗流體力學7課件

1、第7章 粒子圖像測速技術（PIV）7.1 PIV系統(tǒng)的構成7.2 PIV測速原理7.3 PIV的應用研究7.4 Micro PIV7.5 PLIF實驗流體力學Particle Image Velocimetry 第7章 粒子圖像測速技術（PIV）7.1 PIV系統(tǒng)PIVLDV單點時間序列測量.平面瞬時場測量比較兩種激光測量技術：PIVLDV單點時間序列測量.平面瞬時場測量比較兩種激光測量 1.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； 2.在與光片垂直的方向，CCD相機攝下在流場這個層面中跟隨流體一起運動的粒子的多次曝光圖像； 3.將數(shù)字化圖像送入計

2、算機，利用自相關或互相關原理處理，得到流場中的速度分布。 PIV（Particle Image Velocimetry）即“粒子圖像速度場儀”。7.1 PIV系統(tǒng)的構成 PIV測速原理： 1.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、CCD攝像機。 三、分析系統(tǒng)：幀圖像接收器（像機接口板）和 圖像分析軟件及計算機。在流場中播撒粒子照明流場形成片光采集多次曝光圖象成象分析得速度矢量圖一、照明系統(tǒng)：激光器、片光元件。在流場中播撒粒子 PIV系統(tǒng)組件: （1）雙脈沖激光器；（2）片光元件；（3）CCD像機；（4）同步控制器； （5

3、）幀采集卡；（6）計算機 ； （7）光片； （8）播撒粒子流體。 PIV系統(tǒng)組件: （1）雙脈沖激光器；（2）片光元件；Light SourcePulseDuration(m sec)PulseSeparation (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)：激光器類型：Light PulseDuration(m sec)Puls10 mJ

4、 - 400 mJ per pulse4 ns - 20 ns pulse duration凍結(jié)粒子圖像脈沖間隔時間t 范圍測速從mm/s 到超聲速10 - 30 Hz 脈沖重復率532 nm 波長 (倍頻)激光電源和遙控盒：Nd:YAG 激光器：10 mJ - 400 mJ per pulse激光電源和遙 兩束光的光斑應重疊（必要時打開激光頭蓋子， 調(diào)整反射鏡角度使光斑盡量重合）。 冷卻循環(huán)水系統(tǒng)（去離子水）保證YAG棒溫度 開蓋自鎖，防激光傷害。 1064nm波長輻射經(jīng)倍頻器發(fā)射光波長532nm 單脈沖能量12mJ、寬度10ns 脈沖間隔可調(diào)，重復頻率達15Hz Nd:YAG棒在熱補償共振

5、腔內(nèi)由閃光燈驅(qū)動雙脈沖Nd:YAG激光器（NEW WAVE公司）： 兩束光的光斑應重疊（必要時打開激光頭蓋子， 冷卻循環(huán)水 雙通道激光器的激光頭和片光元件組合： 雙通道激光器的激光頭和片光元件組合：Q-Switch delay (microsec)Pulse energy - % of maximum50100150200250300100%80%60%40%20%0%能量 Q-switch 延時Q-Switch delay (microsec)Pulse同步器：協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分的工作。外觸發(fā)激光控制相機相機接口播撒觸發(fā)計算機二、成像系統(tǒng)：同步器：協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分的工作。外觸發(fā)激光控制相機相機接口

6、播撒 激光脈沖同步器：1 TTL相機觸發(fā)；2 相機快門；3 幀采集觸發(fā)；4 視頻輸入；5 外部觸發(fā)輸入；6 脈沖監(jiān)視器；7 閃光燈（#1紅）8 Q-開關（#1藍）；9 閃光燈（#2綠）；10 Q-開關（#2棕）；11 外部裝置輸出（觸發(fā)“Run Laser”，停止“Stop”）；12 相機12V直流1；13 相機12V直流2；14 輸入A；15 輸出B；16 輸出C；17 輸出D；18 開關；19 電源線接口；20 選電源電壓 激光脈沖同步器：1 TTL相機觸發(fā)；2 相機快門；3 幀采CCD像機、鏡頭及接口：1、2 分別為電源和輸出狀態(tài)指示燈；3 連接幀接收器（計算機內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換卡）；4 連接同

7、步器。 CCD像機、鏡頭及接口：1、2 分別為電源和輸出狀態(tài)指示燈；幀圖像接收器（像機接口板）;圖像分析軟件及計算機三、分析系統(tǒng)：幀圖像接收器（像機接口板）;三、分析系統(tǒng)：PIV Measurements in Supersonic Flow：umax 1400 m/secV- componentU - componentPIV Measurements in Supersonict - 兩脈沖間隔時間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流動平面激光片xyA. .7.2 PIV測速原理t - 兩脈沖間隔時間粒子A速度

8、流動平面激光片xyA兩類速度計： 1.粒子圖像速度計； 2.激光斑速度計。特征參數(shù)： 1.圖像場內(nèi)每單位體積內(nèi)散射粒子的濃度平均數(shù)C； 2.流場的尺度。兩類速度計：特征參數(shù)：1.激光斑模式（LSV）：一、PIV系統(tǒng)的工作模式：2.粒子示蹤模式（PTV）：3.高圖像密度模式（PIV）：低圖像密度PIV高圖像密度PIV 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)生隨機干涉現(xiàn)象（激光斑，Dainty 1975）。通過測量光斑的位移來測速度。 這種模式，流體中散射粒子的濃度足夠小，通過拍攝孤立的粒子軌跡來測量位移。 這種模式，流體中粒子的濃度介于LSV和PTV之間。圖像場中每個查詢窗包含很

9、多圖像，但不重疊。1.激光斑模式（LSV）：一、PIV系統(tǒng)的工作模式：2.粒子多幀技術：對幀間隔為Tf的周期速度場采樣。多幀/單脈沖 ： t只能等于Tf整數(shù)倍 （高速相機產(chǎn)生的幀數(shù)有限）低圖像密度PIV：單幀技術：條紋照相法（粒子在光片中長時間曝光）。特點是查詢單元中平均粒子數(shù)很小。單幀/多脈沖： 曝光間隔t與速度采樣間隔Tf無關（根據(jù)速度選擇t，并滿足空間分辨率的要求）。 多幀技術：對幀間隔為Tf的周期速度場采樣。多幀/單脈沖 ： 一般采用的流體測速技術高圖像密度PIV： 由于粒子濃度較高，每個查詢窗中包含多幅粒子圖像。（圖像數(shù)目很大，難以跟蹤單個粒子） 將流場圖像分成很多查詢窗；測量局部速

10、度就是通過一個查詢窗的數(shù)字化圖像處理來進行的。對矢量場的測量則是在查詢窗網(wǎng)格中重復這一步驟來實現(xiàn)的。例，單幀雙脈沖曝光：一般采用的流體測速技術高圖像密度PIV： 由于粒子濃度單幀雙脈沖曝光：粒子對圖像 楊氏條紋圖 自相關圖單幀雙脈沖曝光：粒子對圖像 楊氏條紋圖例：垂直射流11mm2查詢窗圖像（圖像密度大約為N20 ）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 例：垂直射流11mm2查詢窗圖像A 低垂直速度Interrogation regionImagedisplacementAuto-correlationAutocorrelationVector field. . .

11、. Flow field Image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .PIV技術之一：單幀多脈沖查詢技術直接自相關單幀技術帶來方向不確定的問題Interrogation ImageAuto-Autoco如何解決方向任意性問題圖像漂移技術：C1 和 C2 是同一粒子兩次激光脈沖生成的圖?A1A2B2B1C1C2如何解決方向任意性問題圖像漂移技術：C1 和 C2 是同位移場速度場圖像漂移技術：位移場速度場圖像漂移技術：粒子位移互相關幀 1幀 2查詢區(qū)查詢區(qū)互相關矢量

12、場PIV技術之二：雙幀雙脈沖查詢技術互相關：粒子位移互相關幀 1幀 2查詢區(qū)查詢區(qū)互相關矢量場PIV技術速度測量的確定性程度：10ns脈沖激光二、一種圖像處理算法：基于互相關技術的圖像處理算法：速度測量的確定性程度：10ns脈沖激光二、一種圖像處理算法 根據(jù)灰度值區(qū)分粒子和背景像素（灰度值為i 的像素數(shù)為ni）閾值：使分布函數(shù)2B（T）達到最大 的T 值。iT 的像素為粒子像素，連續(xù)的粒子像素構成一個粒子 1.圖像粒子的標定： 根據(jù)灰度值區(qū)分粒子和背景像素（灰度值為i 的粒子識別后的兩幅雙脈沖成像圖連續(xù)兩個時刻的原始粒子圖像 粒子識別后的兩幅雙脈沖成像圖連續(xù)兩個時刻的原始粒子圖像 、為粒子像素

13、灰度值；n、m為兩幅圖像粒子像素數(shù)。2.連續(xù)兩幅圖像中粒子的對應：、為粒子像素灰度值；2.連續(xù)兩幅圖像中粒子的對應： 參考粒子和候補粒子對應兩區(qū)域（查詢窗）的相關系數(shù)，式中： 、為粒子像素灰度值； n、m為兩幅圖像粒子像素數(shù)。 相關系數(shù)最大值對應的候補粒子為參考粒子自身，兩區(qū)域之間的距離是粒子的位移。 參考粒子和候補粒子對應兩區(qū)域（查詢窗）的相關PIV互相關法誤差： （1）.系統(tǒng)誤差： 不同介質(zhì)折射率產(chǎn)生背景噪聲誤差。 （2）.方法誤差： 連續(xù)兩幅圖像之間的時間間隔和最大流速限制。3.粒子速度的確定：PIV互相關法誤差：3.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)量，提高測

14、量可信度。4.誤對應粒子速度的判斷及其消除：增加信噪比的方法：1）盡可能采用大粒徑粒子；2）照明光與接收光的方向成最佳角度；3）盡可能減少背景光反射強度；4）采用大功率激光； 5）圖像處理過濾方法，將背景噪聲減少到最低限度。 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 由于PIV測量的查詢窗不能太大，其兩幅圖像間隔時間的限制為（R為查詢窗尺寸）：當時間間隔t較小時，互相關法適應性較好。 當測量范圍和時間間隔都已確定時，則流體的流速有限制，不能超出一定的范圍。 5圖像時間間隔和最大速度限制： 由于PIV測量的查詢窗不能太大，其兩幅圖像間隔時間的限制 1.在整幅圖像上劃分網(wǎng)格，每個格子作

15、為一個查詢窗。 2.第一幅圖像中選擇一個查詢窗，用查詢窗中的粒子圖像與第二幅圖像中各個格子的粒子圖像作互相關。 3.相關系數(shù)最大的表示兩個格子中的粒子為同一些粒子。雙幀雙脈沖PIV圖像處理的一般方法： 4.兩個格子的距離即查詢窗中的粒子移動的平均距離，查詢窗的數(shù)目就是速度矢量的數(shù)目。 1.在整幅圖像上劃分網(wǎng)格，每個格子作為一個查詢窗。 幀 1幀 2相機曝光最小跨幀時間激光脈沖脈沖 1脈沖 2t脈沖延遲脈沖間隔三、跨幀時序：幀 1幀 2相機曝光最小跨幀時間激光脈沖脈沖 1脈沖 2t脈沖重復周期相機觸發(fā)相機反饋相機曝光相機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 相機跨

16、幀時序：脈沖重復周期相機觸發(fā)相機反饋相機曝光相機圖輸出脈沖延遲脈沖間7.3 PIV的應用研究PIV應用研究泥沙沉積7.3 PIV的應用研究PIV應用研究泥沙沉積PIV應用研究火焰結(jié)構PIV應用研究火焰結(jié)構PIV應用研究火焰結(jié)構PIV應用研究火焰結(jié)構PIV應用研究內(nèi)燃機PIV應用研究內(nèi)燃機PIV應用研究內(nèi)燃機PIV應用研究內(nèi)燃機PIV應用研究內(nèi)燃機PIV應用研究內(nèi)燃機PIV應用研究定常射流PIV應用研究定常射流原始圖像速度矢量場PIV應用研究空腔流原始圖像速度矢量場PIV應用研究空腔流PIV應用研究模擬心臟流動PIV應用研究模擬心臟流動measurementregionxyPIV應用研究旋轉(zhuǎn)機械

17、流動measurementxyPIV應用研究旋轉(zhuǎn)機械流動平均速度場 Z=1鎖相PIV測量PIV應用研究旋轉(zhuǎn)機械流動平均速度場 Z=10平均速度場 Z=1鎖相PIV測量PIV應用研究旋轉(zhuǎn)機械PIV應用研究旋轉(zhuǎn)機械流動PIV應用研究旋轉(zhuǎn)機械流動PIV應用研究旋轉(zhuǎn)機械流動PIV應用研究旋轉(zhuǎn)機械流動Courtesy: CNRSPIV應用研究微重力燃燒測量Courtesy: CNRSPIV應用研究微重力燃燒測量圖像場速度場PIV應用研究微重力燃燒測量圖像場速度場PIV應用研究微重力燃燒測量2D-PIV2D-PIV2D-PIV2D-PIV3D-PIV3D-PIV3D-PIV3D-PIV3D-PIV3D-P

18、IV三維PIV應用研究旋轉(zhuǎn)空氣流三維PIV應用研究旋轉(zhuǎn)空氣流三維PIV應用研究旋轉(zhuǎn)空氣流三維PIV應用研究旋轉(zhuǎn)空氣流微流動PIV測量裝置：7.4 Micro PIV微流動PIV測量裝置：7.4 Micro PIVMicro PIV的特點：1） Micro PIV 系統(tǒng)采用體照明，亦即對整個流場進行照明。 2）播撒于流體中的粒子為熒光染色粒子，采用熒光誘導方式成像。Micro PIV的具體做法：1）用擴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)果是流體中的熒光物質(zhì)受到激發(fā)，因而發(fā)出熒光。Micro PIV的特點：1） Micro PIV 系統(tǒng)采用 2）散于流體中

19、的熒光粒子吸收某個波長的照明光，散射較大波長的熒光。利用分色鏡和截斷濾色鏡除去照明光及其反射光，只有發(fā)出的熒光到達CCD感光區(qū)。 3）這些熒光經(jīng)透鏡聚焦后成像，然后再對圖象進行PIV的相關分析得到速度場。 4）另外，誘導光還有一個特性是：當入射光強達到一定強度后，誘導出的熒光強度不再增加。這樣即使光強比較大的情況，CCD感受的熒光強度也不會對它造成損傷。 2）散于流體中的熒光粒子吸收某個波長的照明光，散射較大 5）MicroPIV只能靠相機鏡頭的景深確定圖像的位置。 6）精確測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)定不受震動干擾。 5）MicroPIV只能靠相機鏡頭的景深確定圖像的位

20、置微流動PIV布置 Meinhart（2000）使用PIV技術測量噴墨頭噴出墨滴的瞬態(tài)流動過程微流動PIV布置噴墨打印頭的微流動：噴墨打印頭的微流動：微流動PIV測量系統(tǒng) 微流動PIV測量系統(tǒng) 生物芯片微流動PIV生物芯片微流動PIV PLIF （平面激光誘導熒光）和 PIV 的相似處：都采用激光光片確定測量區(qū)域，并用精密CCD相機收集散射/發(fā)射光。7.5 PLIFPLIF 和PIV 的差別：PLIFPIV播撒播撒試劑 - 吸收激光頻率 - 在分子水平混合播撒粒子 - 反射 (散射) 激光 - 跟隨流動物理過程熒光發(fā)射MIE 散射采集光線紅移熒光彈性散射激光分析標定將像素強度與標量聯(lián)系跨幀圖像

21、的互相關得到速度場 PLIF （平面激光誘導熒光）和 PIV 的相似處：常用的熒光物質(zhì)： 羅丹明B、羅丹明6G、熒光素鈉、丙酮、 吡啶、香豆素、萘等 速度/溫度測量實驗：Rhodamine B 熒光染料用于PLIF 溫度測量。鍍銀播撒球粒子用于PIV 測量。 TSI的PIV系統(tǒng)可以同時測量溫度場、 濃度場和速度場。常用的熒光物質(zhì)：速度/溫度測量實驗：Rhodamine B 例 溫度測量正面視圖：流動單元取圖像區(qū)域例 溫度測量正面視圖：流動單元取圖像區(qū)域PIV/PLIF 同步測量：PIVPLIF從PIV播撒粒子反射的激光從熒光染料發(fā)射頂視PIV/PLIF 同步測量：PIVPLIF從PIV播撒粒子

22、從使用INSIGHT 3G 軟件 PIV 和 PLIF 結(jié)果：使用INSIGHT 3G 軟件 PIV 和 PLIF 結(jié)果：PLIF 測量射流混合：圖示射流濃度變化(AA斷面強度曲線)AAPLIF 測量射流混合：圖示射流濃度變化AAPLIF 測量射流混合-濃度PLIF 測量射流混合-濃度PLIF 測量射流混合- 濃度：等值面圖顯示射流濃度變化從圖頂部射入 (最大Y處).PLIF 測量射流混合- 濃度：等值面圖顯示射流濃度變化PIV-PLIF 測量垂直射流與橫向射流混合：濃度等值線PIV-PLIF 測量垂直射流與橫向射流混合：濃度等值線PIV-PLIF 同步測量：垂直射流與橫向射流混合PIV-PLIF 同步測量：垂直射流與橫向射流混合1對低湍流度流體的測量精度的影響程度：（1）LDV測量跟隨粒子大小具有分散性，速度的分散性帶來附加湍