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粒子图像测速技术


粒子图像测速技术(PIV)
1.PIV 简介
粒子图像测速技术(PIV)作为一种全新的无扰、瞬态、全场速度测量方法, 在流体力学及空气动力学研究领域具有极高的学术意义和实用价值。 粒子图像测速技术(PIV)是一种用多次摄像以记录流场中粒子的位置,并 分析摄得的图像,从而测出流动速度的方法。PIV是流场显示技术的新发展。它 是在传统流动显示技术基础上 , 利用图

形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 的弱点而成的, 既具备了单点测量技术的精度和分辨率, 又能获得平面流场显示 的整体结构和瞬态图像。

图1. 粒子图像测速技术

2.PIV的原理
PIV技术原理简单,就是在流场中撤入示踪粒子,以粒子速度代表其所在流 场内相应位置处流体的运动速度.应用强光(片形光束)照射流场中的一个测试平 面,用成像的方法(照像或摄像)记录下2次或多次曝光的粒子位置,用图像分析 技术得到各点粒子的位移, 由此位移和曝光的时间间隔便可得到流场中各点的流 速矢量,并计算出其他运动参量(包括流场速度矢量图、速度分量图、流线图、 漩度图等)。因采用的记录设备不同, 又分别称FPIV ( 用胶片作记录) 和数字式 图像测速DPIV(用CCD相机作记录)。

3.PIV系统组成
PIV系统通常由三部分组成, 每一部分的要求都相当严格。
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图2. 粒子图像测速系统结构

(1)直接反映流场流动的示踪粒子。除要满足一般要求 ( 无毒、无腐蚀、 无磨蚀、化学性质稳定、清洁等) 外,还要满足流动跟随性和散光性等要求。要使 粒子的流动跟随性好 , 就需要粒子的直径较小 , 但这会使粒子的散光性降低 , 不 易于成像。 因此在选取粒子时需综合考虑各个因素。 总之, 粒子选取的原则为: 粒 子的密度尽量等于流体的密度,粒子的直径要在保证散射光强的条件下尽可能的 小, 一般为拜m 量级。常用的示踪粒子有聚苯乙烯、铝、镁、二氧化钦、玻璃球 等。柴油机汽缸内气流运动实验研究中, 最常使用的示踪粒子有二氧化钦、铝粉 等。在实际实验中, 它们的光散射性不错, 可拍摄到清晰的图像, 但由于其直径 和密度太大, 导致其跟随性很差, 不能真实反映缸内气流的实际运动。此外 , 固 体颗粒进入缸内后有时会粘附在石英玻璃窗口上 , 由于光线无法穿过不透明的 固体颗粒, 使粒子成像亮度受到影响。并且固体颗粒一般硬度较大, 可能会造成 气缸内壁和石英玻璃窗口的磨损。 因此只能定期的拆除气缸盖,擦拭窗口, 这会增 加许多工作量。 在实验研究中, 还必须考虑粒子浓度问题。当浓度很大时, 粒子像会重叠在 一起, 由于激光为干涉光, 所以在底片上会形成激光散斑而不是独立的粒子像。 虽然用激光散斑同样可以测取散斑场的位移, 但对于流场而言, 由于散斑场的稳 定性较差, 提取散斑场的位移相对地比较困难。当粒子浓度太低时, 粒子对的数 目可能太少, 结果将得不到足够多点的流速,也就得不到足够准确的流速分布。 PI V 技术中粒子浓度一般为10左右( 在查询区域内),这样使每个查询区中都有足 够的粒子对, 能够得到有效的速度结果。 (2)成像系统。双脉冲激光片光源、透镜和照相机构成 PIV的成像系统。 用于照射动态微粒场的片光源由脉冲激光通过透镜形成 , 拍摄粒子场照片的相 机垂直于片光。曝光脉冲要尽可能的短, 曝光间隔即左能够随流场速度及其分辨
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率的不同而进行调节(一般为微秒至毫秒量级) 。片光要尽可能的薄( l mm以下) , 片光的厚度控制对于二维的 PIV来说非常重要,太厚就把三维的速度压入二维 , 也就不能如实反应流场的二维分布。曝光时间和曝光能量是一对矛盾。为了把有 限的光能量都用于曝光,PIV系统一般采用双脉冲激光器作为光源。一般水中曝 光脉冲能量在几十毫焦耳就可以得到理想的曝光图像, 在空气中则要求更高。 (3)图像处理系统。图像处理系统用于完成从两次曝光的粒子图像中提取 速度场。将粒子图像分成若干查询区(同一小区内的粒子假定有相同的移动速度, 并且作直线运动; 此外, 查询区内的最大粒子位移不能超过查询区的 1/4;在片光 厚度方向的位移不能超过片光厚度的114;平面位移要大于两倍粒子图像直径), 在 查询光束的作用下, 利用杨氏条纹法或自相关法逐个处理查询区,得到粒子的移 动速度,进而得到速度场分布。 在早期的PW 技术中, 由于两次曝光图像被记录在 同一幅胶片上, 所以速度的流向存在180。的方向不确定性( 方向二义性),为得 到速度方向, 需要一套复杂的系统。可使用粒子图像预偏置方法或双色 PIV技术 来处理方向二义性问题 110)。由于PIV查询系统及其图像处理系统较为复杂, 仪 器调节、胶片处理以及数据处理等往往要花费较多的时间, 所以随着数字成像系 统及其数字图像处理技术的发展,FP IV技术正在被DPIV技术所代替。

4.PIV分类
4.1 按其成像介质
PIV 按 其 成 像 介 质 可 分 为 基 于 模 拟 介 质 的 GPIV(graphic particle image velocimetry)和基于CCD的DPIV(digital particle image velocimetry)。 GPIV是用照相采集的方法将序列图像记录在胶片或录像带上,然后用光学 方法或扫描仪形成数字图像, 实现自相关模板匹配运动估值.其优点是模拟介质 分辨率高(如普通135底片包含有10 500× 7 500个像素,这样一张100mm× 125mm 的肖像底片将会有 30000x37500 个像素,普通摄像管所能提供的分辨率约为 500× 500个像素,较高分辨率的摄像管也不过做到4096x4096个像素),可以观测 较大的视场,且精度高,图像捕获速度快,可以测量高速流场(马广云,申功圻 HJ)但是,由于其成像后的处理时间长,因而无法实现在线应用,成为其不可克 服的缺陷.同时由于GPIV一般将2次或多次曝光成像在同一底片上 (单帧多曝光 图像),在图像分析上有速度矢量方向二义性问题,虽已有解决方法,但处理较 复杂。
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图3. 用于柴油机喷雾测试的DPIV系统简图

DPIV系统实际上是PIV系统的数字化形式, 它强调用数字方法来记录视频图 像而不是摄影胶片,DPIV所有的分析都用计算机来进行,代替了GPIV的复杂的 光学系统,不需再做胶片的湿处理,同时 DPIV 将 2 次或多次曝光的粒子由 CCD-Camera经数字图像采集设备采得该截面的序列图像 (单帧单曝光图像而非 GPIV的单帧多曝光图像), 自然解决了速度方向的二义性问题.DPIV的决定性优 点在于便于数字处理,能提供实验参数的在线调整,使得它成为PIV的重要发展 方向。

4.2 按粒子密度分
PIV源于固体应变位移测量的散斑技术,首先将这一技术从原理及方法上引 入流场测速中当首推Adrain,他将PIV技术按照示踪粒子的浓度分为激光散斑测 速 技 术 (1aser speckle velocimetry , LSV) , 粒 子 图 像 测 速 仪 (particle image velocimetry,PⅣ)以及粒子跟踪测速仪(particle tracking velocimetry, PTV)三类。 当流场中粒子浓度极低时,我们有可能识别、跟踪单个粒子的运动,从记录 的粒子图像中测得单个粒子的位移,这种低粒子图像密度模式的测速方法即为 PTV技术;当流场中粒子浓度很高时,以至于用相干光照明时,粒子衍射图像在 成像系统像面上互相干涉形成激光散斑图案 (散斑已经掩盖了真实的粒子图像), 这种极高粒子图像密度模式的测速方法即为LSV技术;PIV技术是指选择粒子浓 度使其成为较高成像密度模式, 但并未在成像系统像面上形成散斑图案,而仍然 是真实的粒子图像(或单个的粒子衍射图像),此时这些粒子已无法单独识别,底 片判读只能获得一判读小区域 (interrogation area) 中多个粒子位移的统计平均 值.目前,LSV技术己很少采用,这是因为高粒子浓度对流场干扰较大,而测量 精度、 实验设备均与PIV技术基本相同. PTV技术从本质上讲是PIV技术的延伸,
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由于粒子稀疏,使得可提取的流场速度信息较少,限制了对流场细微结构的研 究. 此外PTV取得原始速度向量点的位置是随机分布的(PIV被认为是按网格状分 布的),需要内捕建立网格表示图.但是PTV算法似乎比PIV算法更容易从二维推 广至三维。

5.三维PIV(3D—PIV)技术
前面介绍的PIV方法采用的是片光束照明方式,因此只能测量局限于片形光 束所照明的二维平面内的速度分布. 而实际上三维流场的三维速度分布测量才是 PIV技术的最终目标. 关于三维流速的测量方法, 目前主要有全息照相(摄像)法、 立体照相(摄像)法及二维加一维法(2D+ID)法等.

5.1 全息照相法(holographic particle image velocimetry, HPIV)
根据全息照相(摄像)的原理获得全息图像,由于全息图像把流场的三维速度 场瞬时凝固在一张全息胶片中,通过分层再现,既可提取流场的三维信息.全息 照相仅是记录粒子运动的手段,其处理方法还是依靠PIV或PTv技术和三维重建 理论。HPIV由于涉及到复杂的光路系统,对设备及环境的要求较为苛亥U,距离 实际应用还有一段距离。

5.2 立体照相(摄像)法
体视摄像法研究较多,该法是用2台或多台相机从不同方位记录被照明流场 的一个切面,根据两相机空间位置投影关系和视差,把两相机的2个二维坐标映 射为空间一点的三维坐标, 把两相机的两个二维位移场映射为空间一点的三维位 移场,完成粒子空间位移场和速度场的重建137J.应当说目前Adrain的工作代表 了此领域的最高水平.国内以jE航申功忻教授为领导的课题小组在3D·PIV的研 究方面也进行了开创性的工作。

5.3 2D+1D法
是切面内二维测量和纵向(离面)一维测量相结合的三维速度测量方法,又可 分为粒子跟踪色谱法、 粒子跟踪光强梯度法、粒子跟踪温度梯度法以及实验与数 值相结合的方法(在获得多个平行切面二维速度场的情况下,利用不可压缩性流 体的连续性方程求得纵向流速分布)等。

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PIV的优势
PIV的突出优点表现在:
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(1)突破了空间单点测量(如LDV)的局限性,实现了全流场瞬态测量; (2)实现了无扰测量,而用毕托管或HwFV等仪器测量时对流场都有~定的干扰; (3)容易求得流场的其他物理量,由于得到的是全场的速度信息,可方便的运用 流体运动方程求解诸如压力场、涡量场等物理信息.因此,该技术在流体测量中 占有重要的地位.

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