粒子图像测速发展综述

粒子图像测速(PIV)是一种基于流场图像互相关分析的非接触式瞬时全流场测量技术,它融合了计算机、光学及图像处理技术等交叉学科,在流体力学、空气动力学以及生命科学等领域有着广泛的应用。随着PIV技术的进步,其测量功能由早期的二维平面发展成三维空间,为瞬态流场的可视化提供了强有力的工具。从测试原理及系统组成的角度,重点介绍了立体PIV、全息PIV、层析PIV及微PIV等最新三维PIV技术,总结了PIV技术的发展和研究现状,最后探讨了PIV技术的未来发展趋势。     

汽车风洞的PIV试验技术

介绍了粒子图像测速技术(PIV)的基本原理和试验过程,结合汽车空气动力学的需要将PIV试验应用到汽车风洞中测量汽车周围流场流动状况。根据研究内容探索并设计了适合进行汽车模型风洞试验的试验方案,分别针对GTS卡车模型周围流场和实车后视镜区域流场进行测量试验。得到了汽车周围流场截面的流线显示和瞬态、稳态的速度数据,并对比数值模拟结果进行了分析。同时介绍了应用PIV的激光做的激光流态显示。本文的研究为进行汽车空气动力学涉及的汽车模型周围低速流动时流动状况的测量试验提供了经验。     

多风路空冷汽轮发电机PIV流场测试实验台研发

为了研究定子多风路的大型空冷汽轮发电机内部气隙中(转子外表面与定子内壁面之间)的旋转空气速度场特征,研发并试制了电机通风粒子图像测速技术(PIV)测试实验台.首先介绍了实验台的风路设计方案及部件风扇、定子和转子各部分结构及相关尺寸;设计了PIV测试实验测量方案.然后,采用ANSYS有限元程序,在符合实际的边界条件下,对通风实验台的轴与支撑环及风扇支架、转子环进行应力分布计算及分析,计算并选择合适的拖动系统电动机,得出最终的结构方案,为实验台的加工制造提供基础数据.该实验台可为大型空冷汽轮发电机旋转流场可视化研究提供平台.     

基于单曝光激光层析图像的粒子速度测量系统

首先对目前的PIV(Particle Imaging Velocimetry)技术进行了总结．针对该系统设备复杂、价格昂贵的现实，提出了一种利用对单次曝光的流场空间域激光层析图像进行两次傅立叶变换后获得的频域图像求得最大互相关系数的二维速度场测量的新思路．实验表明：利用该方案有可能开发出针对小速度测量范围的实用粒子图像测速仪．     

卵石河床清水冲刷粗化层破坏临界条件试验研究

针对山区卵石河道普遍存在的床面粗化层现象,进行了水流强度连续小幅增大的清水冲刷粗化层破坏试验研究,旨在探讨粗化层破坏与水流强度之间的临界关系.试验结果表明,水流强度的增大并不一定能破坏床面粗化层,只有当水流强度增大到一定程度时,粗化层才会破坏.对于本系列试验所用泥沙,只有床面切应力大于初始粗化床面切应力的1.2倍,粗化层才会破坏.粗化层床面结构对粗化床面切应力有着重要的影响.     

PIV技术在流动测试与研究中的应用

粒子图像测速是一种基于流场图像互相关分析的二维流场非接触式测试技术,在流场测量中占有非常重要的地位.本文阐述了PIV粒子图像测速的基本原理及其在复杂流场测试中的应用状况,如泊肃叶流动及圆柱绕流、横流中水平方柱绕流旋涡、涡旋波流场、横流中近壁水平圆柱绕流旋涡、角区三维分离的附着奇点结构、漩流中间包流场、角区非定常马蹄涡结构.对掌握和了解PIV测试原理及方法具有一定的参考意义.     

网板结构柱塞流电化学反应器流场的测试

采用粒子图像测速技术(PIV)对用于废水处理的网板结构柱塞流电化学反应器(MPE-PFER)进行全流场测试,分析反应器入口区域及中部反应段截面的速度场分布;考察进口方式和流速对反应器流场分布和进出口压差的影响.实验结果表明,反应器入口区域属流体流动过渡区,受进口方式的影响较大;反应器中部区域流场稳定、规则,速度梯度、进出口压差随流体速度的增大而明显增加;切向进口下的流场均匀,能量损失少,为最佳的反应器入口结构.     

用PIV技术研究柴油喷雾液滴速度场

目的测试柴油喷雾液滴的速度及其分布特性. 方法用自行设计开发的PIV(粒子图像速度场仪)系统分析喷雾液滴的速度场. 结果与结论采用PIV系统拍摄了距喷孔10-50mm区域内的柴油喷雾液滴的平面流场,并采用基于成像放大及粒子图像相关原理的IBAS2000图像分析系统处理,得出喷雾液滴的速度大小及速度分布.     

基于PIV的明渠紊流压强场测量技术研究

基于粒子图像测速（PIV）的压强场测量技术可实现流动内部瞬时压强的非接触式、高时空分辨率、全场测量。本文采用欧拉法根据时间解析的速度场重构压强梯度场，再采用虚拟边界全向积分法结合边界条件得到压强场，实现了基于PIV的明渠紊流压强场测量技术。为了使用基于PIV的压强场测量技术准确测量明渠紊流压强场，利用时间解析的明渠紊流直接数值模拟数据和PIV速度场对该测量技术的精度、误差来源及主要影响因素进行了分析。基于本文数据，发现该测量技术的测量结果几乎无平均偏差，但均方根误差相对较大约为25%；通过分析由速度场重构压强梯度场及由压强梯度场积分得到压强场两个阶段的测量误差表明，压强场测量误差主要发生在由速度场重构压强梯度场这一阶段，主要受流场测量参数和边界条件给定方法的影响。进一步分析了上述主要影响因素对压强测量误差的影响规律，发现压强场测量误差随流场采样间隔的增加而增大，随流场测点间距的增加先减小后增大；基于本文数据得到在内尺度无量纲测点间距约为7时误差最小，但该测点间距最优值的普适性尚待更多数据支撑；在矩形测量区域边界4个角点布置压强边界点时，压强场测量误差会显著降低。将该压强场测量技术初步应用于明渠均匀紊流，发现时均压强测量结果较为准确，压强紊动强度测量结果误差相对较大，但垂向分布趋势接近。研究结论为明渠紊流压强场的实验测量提供理论依据和实践参考。     

粒子图像测速技术在两相流测量中的应用研究

为实现对两相流中各相速度的同步测量，提出了一种两相流数字粒子图像测速(PIV)方法.该方法选用合适的示踪粒子显示液体的运动，并用高速摄像机采集气液两相流动数字图像.从图像处理着手，根据图像灰度的不连续性和相似性，对采集到的两相流数字粒子图像进行分离，实现液体示踪粒子和气泡的标定.最后采用基于改进了的互相关算法得到液体流场速度分布，同时利用跟踪法得到气泡的速度分布，并对液体速度场中产生误矢量的原因进行了分析，消除了误矢量.经实例研究表明，该测量方法对硬件的依赖性小，测量成本低，可进一步推广至气固两相流的测量.     

应用PIV系统研究横流中水平方柱绕流旋涡特征

利用PIV系统对二维水平方柱绕流的旋涡特性进行了试验研究,得到了来流雷诺数为796-9 556、不同间隙比(G=3.0,1.0,0.2)时方柱绕流瞬时流场分布.根据这些数据,分析了方柱绕流流场中旋涡发展和演化规律,比较了瞬时流场和时均流场中旋涡结构特征,给出了不同工况下分离区长度L及斯特罗哈数St与雷诺数的关系.     

方形卧式分离器的PIV流场试验研究

应用粒子成像测速(particle image velocimetry, PIV)技术对方形卧式分离器的内部流场进行了测量，得到分离器内典型的颗粒运动分布状态.采用灰度互相关法处理试验图像数据，得到分离器内3个不同截面的二维瞬时速度分布，结果表明在分离器内气流为顺时针旋流，中间流速高而边壁流速低，在分离器的右上角存在有角涡.根据试验结果计算了方形卧式分离器中间面的平均二维速度分布，与应用雷诺应力模型(RSM)数值计算模拟得到的分离器内气流速度分布进行了对比，结果表明除了近壁面区域差别较大外，其他区域基本吻合.     

Real-time adaptive particle image velocimetry for accurate unsteady flow field measurements

Almost all conventional open-loop particle image velocimetry (PIV) methods employ fixed-interval-time optical imaging technology and the time-consuming cross-correlation-based PIV measurement algorithm to calculate the velocity field. In this study, a novel real-time adaptive particle image velocity (RTA-PIV) method is proposed to accurately measure the instantaneous velocity field of an unsteady flow field. In the proposed closed-loop RTA-PIV method, a new correlation-filter-based PIV measurement algorithm is introduced to calculate the velocity field in real time. Then, a Kalman predictor model is established to predict the velocity of the next time instant and a suitable interval time can be determined. To adaptively adjust the interval time for capturing two particle images, a new high-speed frame-straddling vision system is developed for the proposed RTA-PIV method. To fully analyze the performance of the RTA-PIV method, we conducted a series of numerical experiments on ground-truth image pairs and on real-world image sequences.

     

用PIV测量含淹没刚性植物明渠水流流速场

含植物河道流速的分布很复杂,植物的种类、刚度特性、分布情况以及高度等都将影响到河道水流流速分布.目前,对含有植物明渠流流速分布的研究大多是逐点测得的过流断面上垂线沿流向的纵向流速分布,极少有人对含有植物明渠流的全场流速进行有效的测量研究.为了准确把握含植物河道水流的流速分布,对含植物河道水流进行全场的流速测量显得尤为重要.叙述了采用现代先进的测试手段,用标准PIV测量含淹没刚性植物明渠水流沿流向垂直平面内的流速场分布规律,以期能给人以新的认识.     

Reynolds number dependence of flow past a shallow open cavity

Measurements were carried out in a shallow open cavity with particle image velocimetry technique. The cavity has a length- to-depth ratio of 4:1, and the upstream inflow conditions include laminar, transient, and turbulent regimes at seven different Reynolds numbers. The measured instantaneous velocities were analyzed through ensemble average, vortex extraction, and proper orthogonal decomposition (POD) to investigate overall flow circulations, Reynolds stress distribution, spanwise vortex population, and the characteristics of the POD modes. The results reveal distinctive Reynolds number dependence of the cavity flow, e.g. an increase in Reynolds number results in constant migration of the overall circulation, enhancement of Reynolds stress, reduction of correlation between vortex and Reynolds stress, and decrease of fractional energy of the characteristic POD modes. Finally, a phenomenological model was proposed to describe various features of cavity flow.     

表面活性剂水溶液弹性湍流特性实验研究

弹性湍流是本世纪初发现的一种新的流动现象,发生在具有弯曲流线的粘弹性流体低雷诺数流态下,对其发生机理和特性的认识还很匮乏.利用传统的二维低速粒子成像测速仪和高速动态粒子成像测速仪(PIV)实验研究了自由面旋转流中的弹性湍流的统计特性.对PIV测得的低雷诺数表面活性剂(十六烷基三甲基氯化铵)溶液粘弹性流体旋转流中水平面和子午面内的速度场进行了流型观测.结果表明实验测量的弹性湍流以大涡运动为特征,表现出在时间上随机而在空间上光滑的特性.     

利用PIV测试水槽流场的实验研究

采用PIV瞬态流场测试技术,利用环形喷管,对水槽内法向面上一个截面上的速度矢量场和涡量场进行测量。定量分析不同雷诺数对速度场和涡量场的影响,描述水槽内涡旋的形成及其影响因子。分析涡旋流场强化传质的本质。结果表明,通过改变流量引起雷诺数的变化,改变了水槽内涡流的特性。为研究油品调和的流场提供一种途径。     

Spatial pyramidal cross correlation for particle image velocimetry

A spatial pyramidal cross-correlation based on interrogation area sub-division is introduced to improve the measurement resolution in particle image velocimetry (PIV). The high-resolution velocity can be achieved with a velocity prediction model via coarse cross-correlation. The prediction formula is deduced from the frequency response of the moving average (MA). The performance of this method was assessed using synthetically generated images of sinusoidal shear flow, two-dimensional vortical cellular flow, and homogeneous turbulence. A real PIV experiment of turbulent boundary layer was used to evaluate the new method. The results indicate that the spatial pyramid cross-correlation can robustly increase the spatial resolution.     

明渠湍流横向涡旋的尺度与环量特征

为了分析明渠湍流中横向涡旋的尺度与动力学特征,利用自主研发的高频粒子图像测速系统测量了6种水流条件下的明渠恒定均匀流时间序列流场,使用涡旋提取方法识别涡旋,提出一套简洁客观的涡旋尺度及环量确定方法,分析了明渠湍流横向涡半径与环量的特征。涡旋的无量纲尺度与强度仅与所在位置有关,与雷诺数等其它因素均无关系。从壁面附近至对数区的上边界,涡旋的平均半径增大。受水面影响,半水深以上的涡旋半径有逐渐减小的趋势。在粘性作用下,涡旋的平均环量由壁面至水面总体呈减小趋势。时均剪切对逆向涡旋的尺度与强度均有抑制作用,其平均尺度与环量在全水深均小于正向涡。