LDV/PIV全场速度测量的误差分析

　　流动速度测量技术本身就是随着速度测量的需要逐步发展成熟的.虽然,目前最常见的流动测量仍大多采用皮托管或者热线(热膜)等技术,但对于复杂的流动现象以及其他流动问题的基础性研究而言,这些接触式测量由于容易干扰流场,给实验结果带来许多误差.因此,在一些研究性流动实验中,激光多普勒测速技术(Laser Doppler Velocimetry,LDV)和粒子图像速度场测量技术(Particle ImageVelocimetry,PIV)等非接触测量先进手段逐步得到了广泛应用.

　　虽然LDV和PIV这两种技术在比较理想的环境下速度测量精度很高.但在实际实验中,影响因素很多而且复杂,不同实验中各因素的影响程度也不同,实验测量结果本身也带有统计分析的特征.为了提高测量结果的准确性和可信度,必须对产生误差的各种原因进行分析,对误差进行估算.对于复杂的流动现象来说,流场测量结果的实验误差分析尤为重要.本文介绍了这两种测速仪器的常用系统误差分析方法,并提出了一种基于不可压缩流连续性的全场综合误差分析方法.通过对轴对称流动的LDV/PIV全场实验测量结果进行了误差分析,发现其全场测速综合误差虽然都小于4%,但都比仪器厂商所给出的理想环境下的系统误差大得多.

　　1　实验测量的系统误差分析方法

　　在LDV测量仪器的系统误差分析中,一般采用LDV测量如图1(a)所示作刚体旋转的圆柱空腔中流体的速度分布.将充满水的封闭圆柱空腔绕轴线以角速度ω作刚体旋转,所有边界都是以等角速度旋转.当流动达到稳定时,空腔内流体介质的绝对运动速度就一定,距离轴线r处的流体运动速度为wr=rω.通过在空腔内撒入适当的示踪粒子并改变r和ω,便可在不同速度范围得到如图1(b)所示的LDV仪器测量速度与实际速度大小的关系曲线,从而可以计算出仪器的系统误差.LDV仪器制造商常用此法进行仪器标定.本文实验测量中所使用到的LDV测量仪器(DualPDA,Dantec/Invent)在比较理想的环境下速度测量精度为±0.5%

　　PIV测量技术的系统误差分析方法与其测量原理[1]有关.采用PIV技术测速和LDV一样需要示踪粒子,并要求有较好的流动跟随性.为了捕捉到示踪粒子的运动信息,必须使用片光源照亮测量区域.通过激光器和一系列光学元件产生具有一定频率的脉冲光,与其同步工作的PIV相机就可以实时“冻结”示踪粒子的当前位置.这样,相应时间间隔前后的两幅粒子“冻结”图像提供了位移信息,由两个激光脉冲之间的时间间隔就可以计算得到速度信息.

　　为捕捉到照亮区域的示踪粒子分布信息,常将一台CCD(Charged-Coupled Device)相机置于和片光源照亮区域垂直的位置,如图2(a)所示.这样在CCD拍摄到的像片中,示踪粒子以黑暗背景下一定大小的亮点表现出来的.在PIV相关分析处理软件中,一般将CCD像片划分成许多方形小区域,即查问区,如图2(b)所示.对于每一块查问区,在前后两个激光脉冲同步拍摄到的两个示踪粒子图谱需要经过统计相关分析后,才可以得到一个位移矢量.这样,引入两个脉冲之间的时间间隔,整个位移矢量图就可以转化成速度矢量图.