采用自定位原理的三维流场速度测量

　　1　引　　言

　　经过多年的发展,粒子像测速(PIV,ParticleImage Velocimetry)和激光散斑测速(LSV,LaserSpeckle Velocimetry)已逐渐成为流场全场速度测量中越来越重要的方法。1983年由比利时的RolandMeynart所提出的片形光束(Laser Sheet)照明方式为目前PIV和LSV技术所广泛采用。它非常巧妙地解决了流场拍摄的实际问题,使得在固体力学领域成熟使用的双曝光照相术应用于了流体。从此以后,PIV和LSV技术为风洞、燃烧、射流以及大气运动的许多研究解决了流体运动的测量问题。

　　然而,至今大多数PIV和LSV的成功运用,都是局限于片形光束所照明的二维平面内,这正是由曾经促进全场测速技术发展的片光照明方式决定的。实际上,三维流场的三维速度分布测量才是PIV和LSV的最终目的。为了实现这个目标,首先要解决的还是流场拍摄问题。

　　全息方法是首先容易被想到的。已有一些研究者演示了如何用此方法记录三维流场,并分析出三维速度分布[1,2]。但因其对记录条件和再现条件要求较高或方法复杂,距实际应用还有一定距离。采用立体照相术和全场照明的粒子跟踪测速(Particle TrackingVelocimetry),通过对单粒子进行跟踪来分析流场的三维运动[3],其对粒子的识别和跟踪比较困难,求出速度结果的位置是随机的,只能在低粒子密度的场合应用。

　　对于稳定或低速流场,其流场空间中各点的速度不变或变化不快,采用片形光束对流场进行快速扫描的拍摄方式,仍然沿用二维PIV分析,既可以发挥较成熟的二维PIV技术原有的优势,又可以解决定常和低速流场的三维测量问题,具有一定的使用价值。本文介绍了用片形光束对Bénard-Rayleigh对流场沿两个方向进行扫描拍摄的方法,测量三维流场的三维速度分布的实验,以及实验中采用的照片自定位方法。

　　2　流场扫描拍摄与自定位原理

　　图1为流场扫描拍摄的示意图,分束镜BS将激光束分为两路,形成两个垂直方向的照明光束。M1,L1和M2,L2分别为两个方向光路上的反射镜和柱透镜。反射镜和柱透镜固定在滑动平台之上,随着平台在滑轨上滑动,实现对流场的扫描。照相机C1和C2拍摄流场的一系列双曝光照片,经二维的PIV分析得到一系列二维速度平面场后,按照一定的空间位置关系合成流场的三维速度分布。扫描过程也可利用摆镜完成,由于摆镜构成扇形扫描形式,三维合成稍复杂一些。不过其扫描拍摄时间较短,可应用于流速较大的场合。

　　在由一系列二维速度场合成三维速度场时,较为棘手的问题之一是确定二维场之间的定位关系,即将两个二维场中的哪两个点合成,得到一点的三维速度。首先是拍摄时两相机的位置需要定位,其次是在对一系列照片进行相关分析时,不同照片上询问点之间的位置需要定位。定位工作是比较烦琐和困难的。本文介绍的是一种不需精确定位工作的照片自定位方法,它是利用不同方向的二维速度场中冗余的速度信息作为定位的基准[4]。其原理如图2所示。