PIV测速原理与应用

　　在明渠、管道以及泵和水轮机的叶轮内部,流体流动规律的准确测定是发展流动理论和提高水力设计水平的一个重要环节。流速测量的方法很多,随着计算机技术与图像处理技术的快速发展,产生了PIV(Particle Image Velocimetry)这种既能克服流场单点测量局限,又能进行全流场瞬时、非接触测量的测试技术。本文作者主要介绍PIV技术的测速原理以及它在离心叶轮轴向旋涡流研究中的应用。

　　1　PIV测速原理及数据采集

　　1·1　PIV测速原理

　　图1为PIV系统示意图。

　　在利用PIV技术测量流速时,需要在二维流场中均匀散布跟随性、反光性良好且比重与流体相当的示踪粒子。将激光器产生的光束经透镜散射后形成厚度约1 mm的片光源入射到流场待测区域,CCD摄像机以垂直片光源的方向对准该区域。利用示踪粒子对光的散射作用,记录下两次脉冲激光曝光时粒子的图像,形成两幅PIV底片(即一对相同待测区域、不同时刻的图片),底片上记录的是整个待测区域的粒子图像。整个待测区域包含了大量的示踪粒子,很难从两幅图像中分辨出同一粒子,从而无法获得所需的位移矢量。采用图像处理技术将所得图像分成许多很小的区域(称为查问区),使用自相关或互相关统计技术求取查问区内粒子位移的大小和方向,脉冲间隔时间已设定,粒子的速度矢量即可求出(见图2)。对查问区中所有粒子的数据进行统计平均可得该查问区的速度矢量,对所有查问区进行上述判定和统计可得出整个速度矢量场。在实测时,对同一位置可拍摄多对曝光图片,这样能够更全面、更精确地反映出整个流场内部的流动状态。

　　PIV测速是基于最直接的流体速度测量方法。在己知的时间间隔Δt内,流场中某一示踪粒子在二维平面上运动,它在x、y两个方向的位移是时间t的函数。该示踪粒子所在处水质点的二维速度可以表示为

　　式中,vx、vy为水质点沿x、y方向的瞬时速度,-vx、-vy为水质点沿x、y方向的平均速度,Δt为测量的时间间隔。

　　上式中,当Δt足够小时,-vx、-vy的大小可以精确地反映vx、vy。PIV技术就是通过测量示踪粒子的瞬时平均速度实现对二维流场的测量。

　　1·2　实验数据的采集和分析计算

　　Insight软件是PIV系统作数据采集、分析和显示等任务的专用工具。在测试中,首先打开Insight菜单中的component setup进行摄相机、激光器、步器等的设置(laser setup、computer controlled cam-era setup、summary、synchronizer setup、camera set-up)。单击Insight菜单中的Archive Data Selection选择要捕获的图像的数据源,设置曝光和捕获图像的模式及激光曝光的时间和能量强度。在系统控制工具栏中点击Begin Image Acquisition开始获取图像,按Stop Operation停止曝光。然后单击processsetup设置处理图像的参数(Image Shift/Flow Di-rection/Spot Offset、Signal Levels、Peak Search/Correlation Algorithms、Velocity Calibration、GridSetup),选择矢量显示模式。再打开Insight菜单中的vector,在leftfield中单击Macro(Start Recording)开始计算,反复使用Range、Validate和Mean去除坏点,并多次进行平均插值,最后进入Vector Vali-dation Setup进行平均并保存计算结果。