實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)7課件

1、第7章 粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）7.1 PIV系統(tǒng)的構(gòu)成7.2 PIV測(cè)速原理7.3 PIV的應(yīng)用研究7.4 Micro PIV7.5 PLIF實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)Particle Image Velocimetry 第7章 粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）7.1 PIV系統(tǒng)PIVLDV單點(diǎn)時(shí)間序列測(cè)量.平面瞬時(shí)場(chǎng)測(cè)量比較兩種激光測(cè)量技術(shù)：PIVLDV單點(diǎn)時(shí)間序列測(cè)量.平面瞬時(shí)場(chǎng)測(cè)量比較兩種激光測(cè)量 1.脈沖激光器發(fā)出的激光通過(guò)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(chǎng)中一薄層； 2.在與光片垂直的方向，CCD相機(jī)攝下在流場(chǎng)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； 3.將數(shù)字化圖像送入計(jì)

2、算機(jī)，利用自相關(guān)或互相關(guān)原理處理，得到流場(chǎng)中的速度分布。 PIV（Particle Image Velocimetry）即“粒子圖像速度場(chǎng)儀”。7.1 PIV系統(tǒng)的構(gòu)成 PIV測(cè)速原理： 1.脈沖激光器發(fā)出的激光通過(guò)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(jī)。 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)。在流場(chǎng)中播撒粒子照明流場(chǎng)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(chǎng)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(jī)；（4）同步控制器； （5

3、）幀采集卡；（6）計(jì)算機(jī) ； （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(lèi)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(shí)間t 范圍測(cè)速?gòu)膍m/s 到超聲速10 - 30 Hz 脈沖重復(fù)率532 nm 波長(zhǎng) (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(yīng)重疊（必要時(shí)打開(kāi)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(kāi)蓋自鎖，防激光傷害。 1064nm波長(zhǎng)輻射經(jīng)倍頻器發(fā)射光波長(zhǎng)532nm 單脈沖能量12mJ、寬度10ns 脈沖間隔可調(diào)，重復(fù)頻率達(dá)15Hz Nd:YAG棒在熱補(bǔ)償共振

5、腔內(nèi)由閃光燈驅(qū)動(dòng)雙脈沖Nd:YAG激光器（NEW WAVE公司）： 兩束光的光斑應(yīng)重疊（必要時(shí)打開(kāi)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(shí)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(jī)相機(jī)接口播撒觸發(fā)計(jì)算機(jī)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(jī)相機(jī)接口

6、播撒 激光脈沖同步器：1 TTL相機(jī)觸發(fā)；2 相機(jī)快門(mén)；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(kāi)關(guān)（#1藍(lán)）；9 閃光燈（#2綠）；10 Q-開(kāi)關(guān)（#2棕）；11 外部裝置輸出（觸發(fā)“Run Laser”，停止“Stop”）；12 相機(jī)12V直流1；13 相機(jī)12V直流2；14 輸入A；15 輸出B；16 輸出C；17 輸出D；18 開(kāi)關(guān)；19 電源線接口；20 選電源電壓 激光脈沖同步器：1 TTL相機(jī)觸發(fā)；2 相機(jī)快門(mén)；3 幀采CCD像機(jī)、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(jì)算機(jī)內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換卡）；4 連接同

7、步器。 CCD像機(jī)、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(jī)接口板）;圖像分析軟件及計(jì)算機(jī)三、分析系統(tǒng)：幀圖像接收器（像機(jī)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(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)平面激光片xyA. .7.2 PIV測(cè)速原理t - 兩脈沖間隔時(shí)間粒子A速度

8、流動(dòng)平面激光片xyA兩類(lèi)速度計(jì)： 1.粒子圖像速度計(jì)； 2.激光斑速度計(jì)。特征參數(shù)： 1.圖像場(chǎng)內(nèi)每單位體積內(nèi)散射粒子的濃度平均數(shù)C； 2.流場(chǎng)的尺度。兩類(lèi)速度計(jì)：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(jī)干涉現(xiàn)象（激光斑，Dainty 1975）。通過(guò)測(cè)量光斑的位移來(lái)測(cè)速度。 這種模式，流體中散射粒子的濃度足夠小，通過(guò)拍攝孤立的粒子軌跡來(lái)測(cè)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(chǎng)中每個(gè)查詢(xún)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(shù)：對(duì)幀間隔為T(mén)f的周期速度場(chǎng)采樣。多幀/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PIV：?jiǎn)螏夹g(shù)：條紋照相法（粒子在光片中長(zhǎng)時(shí)間曝光）。特點(diǎn)是查詢(xún)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(wú)關(guān)（根據(jù)速度選擇t，并滿足空間分辨率的要求）。 多幀技術(shù)：對(duì)幀間隔為T(mén)f的周期速度場(chǎng)采樣。多幀/單脈沖 ： 一般采用的流體測(cè)速技術(shù)高圖像密度PIV： 由于粒子濃度較高，每個(gè)查詢(xún)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） 將流場(chǎng)圖像分成很多查詢(xún)窗；測(cè)量局部速

10、度就是通過(guò)一個(gè)查詢(xún)窗的數(shù)字化圖像處理來(lái)進(jìn)行的。對(duì)矢量場(chǎng)的測(cè)量則是在查詢(xún)窗網(wǎng)格中重復(fù)這一步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)的。例，單幀雙脈沖曝光：一般采用的流體測(cè)速技術(shù)高圖像密度PIV： 由于粒子濃度單幀雙脈沖曝光：粒子對(duì)圖像 楊氏條紋圖 自相關(guān)圖單幀雙脈沖曝光：粒子對(duì)圖像 楊氏條紋圖例：垂直射流11mm2查詢(xún)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(xún)窗圖像A 低垂直速度Interrogation regionImagedisplacementAuto-correlationAutocorrelationVector field. . .

11、. Flow field Image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .PIV技術(shù)之一：?jiǎn)螏嗝}沖查詢(xún)技術(shù)直接自相關(guān)單幀技術(shù)帶來(lái)方向不確定的問(wèn)題Interrogation ImageAuto-Autoco如何解決方向任意性問(wèn)題圖像漂移技術(shù)：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(wèn)題圖像漂移技術(shù)：C1 和 C2 是同位移場(chǎng)速度場(chǎng)圖像漂移技術(shù)：位移場(chǎng)速度場(chǎng)圖像漂移技術(shù)：粒子位移互相關(guān)幀 1幀 2查詢(xún)區(qū)查詢(xún)區(qū)互相關(guān)矢量

12、場(chǎng)PIV技術(shù)之二：雙幀雙脈沖查詢(xún)技術(shù)互相關(guān)：粒子位移互相關(guān)幀 1幀 2查詢(xún)區(qū)查詢(xún)區(qū)互相關(guān)矢量場(chǎng)PIV技術(shù)速度測(cè)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(guān)技術(shù)的圖像處理算法：速度測(cè)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?cái)?shù)為ni）閾值：使分布函數(shù)2B（T）達(dá)到最大 的T 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 1.圖像粒子的標(biāo)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(shí)別后的兩幅雙脈沖成像圖連續(xù)兩個(gè)時(shí)刻的原始粒子圖像 粒子識(shí)別后的兩幅雙脈沖成像圖連續(xù)兩個(gè)時(shí)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?cái)?shù)。2.連續(xù)兩幅圖像中粒子的對(duì)應(yīng)：、為粒子像素灰度值；2.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(xún)窗）的相關(guān)系數(shù)，式中： 、為粒子像素灰度值； n、m為兩幅圖像粒子像素?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，兩區(qū)域之間的距離是粒子的位移。 參考粒子和候補(bǔ)粒子對(duì)應(yīng)兩區(qū)域（查詢(xún)窗）的相關(guān)PIV互相關(guān)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(shí)間間隔和最大流速限制。3.粒子速度的確定：PIV互相關(guān)法誤差：3.粒子速度的確定： 通過(guò)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)

14、量可信度。4.誤對(duì)應(yīng)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(qiáng)度；4）采用大功率激光； 5）圖像處理過(guò)濾方法，將背景噪聲減少到最低限度。 通過(guò)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) 由于PIV測(cè)量的查詢(xún)窗不能太大，其兩幅圖像間隔時(shí)間的限制為（R為查詢(xún)窗尺寸）：當(dāng)時(shí)間間隔t較小時(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)，則流體的流速有限制，不能超出一定的范圍。 5圖像時(shí)間間隔和最大速度限制： 由于PIV測(cè)量的查詢(xún)窗不能太大，其兩幅圖像間隔時(shí)間的限制 1.在整幅圖像上劃分網(wǎng)格，每個(gè)格子作

15、為一個(gè)查詢(xún)窗。 2.第一幅圖像中選擇一個(gè)查詢(xún)窗，用查詢(xún)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關(guān)。 3.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。雙幀雙脈沖PIV圖像處理的一般方法： 4.兩個(gè)格子的距離即查詢(xún)窗中的粒子移動(dòng)的平均距離，查詢(xún)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(gè)格子作為一個(gè)查詢(xún)窗。 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：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 相機(jī)跨

16、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7.3 PIV的應(yīng)用研究PIV應(yīng)用研究泥沙沉積7.3 PIV的應(yīng)用研究PIV應(yīng)用研究泥沙沉積PIV應(yīng)用研究火焰結(jié)構(gòu)PIV應(yīng)用研究火焰結(jié)構(gòu)PIV應(yīng)用研究火焰結(jié)構(gòu)PIV應(yīng)用研究火焰結(jié)構(gòu)PIV應(yīng)用研究?jī)?nèi)燃機(jī)PIV應(yīng)用研究?jī)?nèi)燃機(jī)PIV應(yīng)用研究?jī)?nèi)燃機(jī)PIV應(yīng)用研究?jī)?nèi)燃機(jī)PIV應(yīng)用研究?jī)?nèi)燃機(jī)PIV應(yīng)用研究?jī)?nèi)燃機(jī)PIV應(yīng)用研究定常射流PIV應(yīng)用研究定常射流原始圖像速度矢量場(chǎng)PIV應(yīng)用研究空腔流原始圖像速度矢量場(chǎng)PIV應(yīng)用研究空腔流PIV應(yīng)用研究模擬心臟流動(dòng)PIV應(yīng)用研究模擬心臟流動(dòng)measurementregionxyPIV應(yīng)用研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械

17、流動(dòng)measurementxyPIV應(yīng)用研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械流動(dòng)平均速度場(chǎng) Z=1鎖相PIV測(cè)量PIV應(yīng)用研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械流動(dòng)平均速度場(chǎng) Z=10平均速度場(chǎng) Z=1鎖相PIV測(cè)量PIV應(yīng)用研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械PIV應(yīng)用研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械流動(dòng)PIV應(yīng)用研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械流動(dòng)PIV應(yīng)用研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械流動(dòng)PIV應(yīng)用研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械流動(dòng)Courtesy: CNRSPIV應(yīng)用研究微重力燃燒測(cè)量Courtesy: CNRSPIV應(yīng)用研究微重力燃燒測(cè)量圖像場(chǎng)速度場(chǎng)PIV應(yīng)用研究微重力燃燒測(cè)量圖像場(chǎng)速度場(chǎng)PIV應(yīng)用研究微重力燃燒測(cè)量2D-PIV2D-PIV2D-PIV2D-PIV3D-PIV3D-PIV3D-PIV3D-PIV3D-PIV3D-P

18、IV三維PIV應(yīng)用研究旋轉(zhuǎn)空氣流三維PIV應(yīng)用研究旋轉(zhuǎn)空氣流三維PIV應(yīng)用研究旋轉(zhuǎn)空氣流三維PIV應(yīng)用研究旋轉(zhuǎn)空氣流微流動(dòng)PIV測(cè)量裝置：7.4 Micro PIV微流動(dòng)PIV測(cè)量裝置：7.4 Micro PIVMicro PIV的特點(diǎn)：1） Micro PIV 系統(tǒng)采用體照明，亦即對(duì)整個(gè)流場(chǎng)進(jìn)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(dǎo)方式成像。Micro PIV的具體做法：1）用擴(kuò)散開(kāi)的激光光源整體照明流場(chǎng)，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(diǎn)：1） Micro PIV 系統(tǒng)采用 2）散于流體中

19、的熒光粒子吸收某個(gè)波長(zhǎng)的照明光，散射較大波長(zhǎng)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)CCD感光區(qū)。 3）這些熒光經(jīng)透鏡聚焦后成像，然后再對(duì)圖象進(jìn)行PIV的相關(guān)分析得到速度場(chǎng)。 4）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。這樣即使光強(qiáng)比較大的情況，CCD感受的熒光強(qiáng)度也不會(huì)對(duì)它造成損傷。 2）散于流體中的熒光粒子吸收某個(gè)波長(zhǎng)的照明光，散射較大 5）MicroPIV只能靠相機(jī)鏡頭的景深確定圖像的位置。 6）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。 5）MicroPIV只能靠相機(jī)鏡頭的景深確定圖像的位

20、置微流動(dòng)PIV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(guò)程微流動(dòng)PIV布置噴墨打印頭的微流動(dòng)：噴墨打印頭的微流動(dòng)：微流動(dòng)PIV測(cè)量系統(tǒng) 微流動(dòng)PIV測(cè)量系統(tǒng) 生物芯片微流動(dòng)PIV生物芯片微流動(dòng)PIV PLIF （平面激光誘導(dǎo)熒光）和 PIV 的相似處：都采用激光光片確定測(cè)量區(qū)域，并用精密CCD相機(jī)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(dòng)物理過(guò)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

21、的互相關(guān)得到速度場(chǎng) PLIF （平面激光誘導(dǎo)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(cè)量實(shí)驗(yàn)：Rhodamine B 熒光染料用于PLIF 溫度測(cè)量。鍍銀播撒球粒子用于PIV 測(cè)量。 TSI的PIV系統(tǒng)可以同時(shí)測(cè)量溫度場(chǎng)、 濃度場(chǎng)和速度場(chǎng)。常用的熒光物質(zhì)：速度/溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)：Rhodamine B 例 溫度測(cè)量正面視圖：流動(dòng)單元取圖像區(qū)域例 溫度測(cè)量正面視圖：流動(dòng)單元取圖像區(qū)域PIV/PLIF 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PIV/PLIF 同步測(cè)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(cè)量射流混合：圖示射流濃度變化(AA斷面強(qiáng)度曲線)AAPLIF 測(cè)量射流混合：圖示射流濃度變化AAPLIF 測(cè)量射流混合-濃度PLIF 測(cè)量射流混合-濃度PLIF 測(cè)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(cè)量射流混合- 濃度：等值面圖顯示射流濃度變化PIV-PLIF 測(cè)量垂直射流與橫向射流混合：濃度等值線PIV-PLIF 測(cè)量垂直射流與橫向射流混合：濃度等值線PIV-PLIF 同步測(cè)量：垂直射流與橫向射流混合PIV-PLIF 同步測(cè)量：垂直射流與橫向射流混合1對(duì)低湍流度流體的測(cè)量精度的影響程度：（1）LDV測(cè)量跟隨粒子大小具有分散性，速度的分散性帶來(lái)附加湍