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PIV


粒子图像测试技术在河势分析中的应用

PIV 技术的产生具有深刻的科学技术发展背景。 首先是瞬态流场测试的需要, 这是单点测量技术不可能完成的任务; 而流动显示技术对 于提供瞬态流动图案无疑是非常有效的, 但在定量上遇到了很大的困难。 利用一些典型流动 来估计流场速度的办法虽然取得了某些成效, 但精度比单电测量低了一个数量级, 分辨率也 差不多笑了一个数量级。

人们自然地就想到了多点测量技术。 热线技术是最早实现多点测量 技术的方法,但是这些方法或者干扰和破坏了流场,或者成本太高,而且获得整个细致的流 动图像也很不方便,更主要的是难以满足瞬态流场测试的需要。 其次是了解流动空间结构的需要。 通常只有在同一时刻记录下整个信息场时才能看到空 间结构。 在高湍流流动中, 采用整体平均的数据并不适合于表现流动中不断改变的空间结构, 这是因为平均数据的过程同时引起流动图像的模糊。PIV 技术具有获得流动中小尺度结构的 矢量图, 其中平均速度矢量的影响已从场信息图的每个矢量中消除了。 然而条件采样法常常 使空间结构平滑到不能接受的程度,根本无法满足研究瞬时非平均相干结构的 xuy6ao。在 湍流结构研究中, 湍流的流动特性包含了很宽范围的运动尺度, 同时又要求具有能分析足够 小的尺度的空间分辨率, 也即是说测量点数必须非常大, 这不是前述常规多点测量法所能满 足的。 最后是某些稳定流动的测试需要。 所谓稳定流动指的是速度脉动与平均速度相比很小的 流动。实际流动中存在着许多特殊的情况,比如狭窄流场,其流动本身是稳定的,但流场狭 小,LDV 的分光束难以相交成可测状态,而 HWFA 又会破坏流场的状态,此时 PIV 可以大显 身手。 PIV 技术的产生也有其技术基础。PIV 技术本质上是流动显示技术的发展,可以说粒子 图像测速技术中的多数方法都是经典的流动显示技术的自然延伸和扩展。 最初流动显示的方 法只用来定性地观察一些实验现象以供研究, 如雷诺实验导致了湍流的发现、 边界层概念的 建立等;在定量的测速技术发展起来以后,显示结果成为人们分析测量结果的重要依据,特 别是很多逐点的测量结果由于缺乏时间上的同步性, 需要全场结构上的信息来对照, 这也说 明了逐点测速方法受到一定的限制,PIV 技术就是在传统流动显示技术基础上利用图像处理 技术发展起来的一种新的流动测量技术, 综合了单点测量技术和显示测量技术的优点, 克服 了两种测量技术的弱点而成, 既具备单点测量技术的精度和分辨率, 又能获得流动显示的整 体结构和瞬态图像。 迄今为止,在全场测速技术中,PIV 是最成熟的一种新技术,已迅速变为测速的标准方 法,其产品已走向市场,如美国的 TSI 公司和 Aerometrics 公司、德国的 Lavision 公司以及 丹麦的 Dantec 公司均有成套产品推出,国内也有了 PIV 的研究成果,如立方天地公司就致 力于商业 PIV 的研发。 PIV 测量原理


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