粒子圖像測(cè)速技術(shù)

粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）1．PIV簡(jiǎn)介粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV)作為一種全新的無擾、瞬態(tài)、全場(chǎng)速度測(cè)量方法，在流體力學(xué)及空氣動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域具有極高的學(xué)術(shù)意義和實(shí)用價(jià)值。粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）是一種用多次攝像以記錄流場(chǎng)中粒子的位置，并分析攝得的圖像，從而測(cè)出流動(dòng)速度的方法。PIV是流場(chǎng)顯示技術(shù)的新發(fā)展。它是在傳統(tǒng)流動(dòng)顯示技術(shù)基礎(chǔ)上,利用圖形圖像處理技術(shù)發(fā)展起來的一種新的流動(dòng)測(cè)量技術(shù)。綜合了單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)和顯示測(cè)量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),克服了兩種測(cè)量技術(shù)的弱點(diǎn)而成的,既具備了單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)的精度和分辨率,又能獲得平面流場(chǎng)顯示的整體結(jié)構(gòu)和瞬態(tài)圖像。圖1.粒子圖像測(cè)速技術(shù)2．PIV的原理PIV技術(shù)原理簡(jiǎn)單，就是在流場(chǎng)中撤入示蹤粒子，以粒子速度代表其所在流場(chǎng)內(nèi)相應(yīng)位置處流體的運(yùn)動(dòng)速度．應(yīng)用強(qiáng)光(片形光束)照射流場(chǎng)中的一個(gè)測(cè)試平面，用成像的方法(照像或攝像)記錄下2次或多次曝光的粒子位置，用圖像分析技術(shù)得到各點(diǎn)粒子的位移，由此位移和曝光的時(shí)間間隔便可得到流場(chǎng)中各點(diǎn)的流速矢量，并計(jì)算出其他運(yùn)動(dòng)參量(包括流場(chǎng)速度矢量圖、速度分量圖、流線圖、漩度圖等)。因采用的記錄設(shè)備不同,又分別稱FPIV(用膠片作記錄)和數(shù)字式圖像測(cè)速DPIV（用CCD相機(jī)作記錄)。3．PIV系統(tǒng)組成PIV系統(tǒng)通常由三部分組成,每一部分的要求都相當(dāng)嚴(yán)格。圖2.粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（1）直接反映流場(chǎng)流動(dòng)的示蹤粒子。除要滿足一般要求(無毒、無腐蝕、無磨蝕、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、清潔等)外,還要滿足流動(dòng)跟隨性和散光性等要求。要使粒子的流動(dòng)跟隨性好,就需要粒子的直徑較小,但這會(huì)使粒子的散光性降低,不易于成像。因此在選取粒子時(shí)需綜合考慮各個(gè)因素。總之,粒子選取的原則為:粒子的密度盡量等于流體的密度,粒子的直徑要在保證散射光強(qiáng)的條件下盡可能的小,一般為拜m量級(jí)。常用的示蹤粒子有聚苯乙烯、鋁、鎂、二氧化欽、玻璃球等。柴油機(jī)汽缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究中,最常使用的示蹤粒子有二氧化欽、鋁粉等。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中,它們的光散射性不錯(cuò),可拍攝到清晰的圖像,但由于其直徑和密度太大,導(dǎo)致其跟隨性很差,不能真實(shí)反映缸內(nèi)氣流的實(shí)際運(yùn)動(dòng)。此外,固體顆粒進(jìn)入缸內(nèi)后有時(shí)會(huì)粘附在石英玻璃窗口上,由于光線無法穿過不透明的固體顆粒,使粒子成像亮度受到影響。并且固體顆粒一般硬度較大,可能會(huì)造成氣缸內(nèi)壁和石英玻璃窗口的磨損。因此只能定期的拆除氣缸蓋,擦拭窗口,這會(huì)增加許多工作量。在實(shí)驗(yàn)研究中,還必須考慮粒子濃度問題。當(dāng)濃度很大時(shí),粒子像會(huì)重疊在一起,由于激光為干涉光,所以在底片上會(huì)形成激光散斑而不是獨(dú)立的粒子像。雖然用激光散斑同樣可以測(cè)取散斑場(chǎng)的位移,但對(duì)于流場(chǎng)而言,由于散斑場(chǎng)的穩(wěn)定性較差,提取散斑場(chǎng)的位移相對(duì)地比較困難。當(dāng)粒子濃度太低時(shí),粒子對(duì)的數(shù)目可能太少,結(jié)果將得不到足夠多點(diǎn)的流速,也就得不到足夠準(zhǔn)確的流速分布。PIV技術(shù)中粒子濃度一般為10左右(在查詢區(qū)域內(nèi))，這樣使每個(gè)查詢區(qū)中都有足夠的粒子對(duì),能夠得到有效的速度結(jié)果。（2）成像系統(tǒng)。雙脈沖激光片光源、透鏡和照相機(jī)構(gòu)成PIV的成像系統(tǒng)。用于照射動(dòng)態(tài)微粒場(chǎng)的片光源由脈沖激光通過透鏡形成,拍攝粒子場(chǎng)照片的相機(jī)垂直于片光。曝光脈沖要盡可能的短,曝光間隔即左能夠隨流場(chǎng)速度及其分辨由于粒子稀疏，使得可提取的流場(chǎng)速度信息較少，限制了對(duì)流場(chǎng)細(xì)微結(jié)構(gòu)的研究．此外PTV取得原始速度向量點(diǎn)的位置是隨機(jī)分布的(PIV被認(rèn)為是按網(wǎng)格狀分布的)，需要內(nèi)捕建立網(wǎng)格表示圖．但是PTV算法似乎比PIV算法更容易從二維推廣至三維。5．三維PIV(3D—PIV)技術(shù)前面介紹的PIV方法采用的是片光束照明方式，因此只能測(cè)量局限于片形光束所照明的二維平面內(nèi)的速度分布．而實(shí)際上三維流場(chǎng)的三維速度分布測(cè)量才是PIV技術(shù)的最終目標(biāo)．關(guān)于三維流速的測(cè)量方法，目前主要有全息照相(攝像)法、立體照相(攝像)法及二維加一維法(2D+ID)法等．5．1全息照相法(holographicparticleimagevelocimetry,HPIV)根據(jù)全息照相(攝像)的原理獲得全息圖像，由于全息圖像把流場(chǎng)的三維速度場(chǎng)瞬時(shí)凝固在一張全息膠片中，通過分層再現(xiàn)，既可提取流場(chǎng)的三維信息．全息照相僅是記錄粒子運(yùn)動(dòng)的手段，其處理方法還是依靠PIV或PTv技術(shù)和三維重建理論。HPIV由于涉及到復(fù)雜的光路系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備及環(huán)境的要求較為苛亥U，距離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。5．2立體照相(攝像)法體視攝像法研究較多，該法是用2臺(tái)或多臺(tái)相機(jī)從不同方位記錄被照明流場(chǎng)的一個(gè)切面，根據(jù)兩相機(jī)空間位置投影關(guān)系和視差，把兩相機(jī)的2個(gè)二維坐標(biāo)映射為空間一點(diǎn)的三維坐標(biāo)，把兩相機(jī)的兩個(gè)二維位移場(chǎng)映射為空間一點(diǎn)的三維位移場(chǎng)，完成粒子空間位移場(chǎng)和速度場(chǎng)的重建137J．應(yīng)當(dāng)說目前Adrain的工作代表了此領(lǐng)域的最高水平．國(guó)內(nèi)以jE航申功忻教授為領(lǐng)導(dǎo)的課題小組在3D·PIV的研究方面也進(jìn)行了開創(chuàng)性的工作。5．32D+1D法是切面內(nèi)二維測(cè)量和縱向(離面)一維測(cè)量相結(jié)合的三維速度測(cè)量方法，又可分為粒子跟蹤色譜法、粒子跟蹤光強(qiáng)梯度法、粒子跟蹤溫度梯度法以及實(shí)驗(yàn)與數(shù)值相結(jié)合的方法(在獲得多個(gè)平行切面二維速度場(chǎng)的情況下，利用不可壓縮性流體的連續(xù)性方程求得縱向流速分布)等。6PIV的優(yōu)勢(shì)PIV的突出優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：(1)突破了空間單點(diǎn)測(cè)量(如LDV)的局限性，實(shí)現(xiàn)了全流場(chǎng)瞬態(tài)測(cè)量