三维PIV原理及其实现方法

　　0　引　言

　　流场测速新方法研究中,至今已发展了激光多普勒LDV(Laser Doppler Velocimetry)、PIV(Particle ImageVelocimetry)等技术。LDV的综合性能较高,具有高精度、高分辨率和非接触测量等优点,通常作为仪器标校技术使用,但LDV只能实现单点测量。PIV技术是一种全场、动态、非接触测量手段,已获得广泛使用,成功应用于风洞、水洞、水槽燃烧及喷射等实验中。　PIV研究始于上个世纪80年代,随着光学和计算机图像处理技术的迅猛发展,PIV取得了长足进步,测量精度和容积率与LDV接近[1]。许多研究成果已实用化,特别是常规二维PIV相当成熟。技术进步新的要求和流场测速新课题的挑战不断出现,迫切需要三维PIV的深入研究。虽然三维PIV更具实际意义,但要实现对流场的三维速度测量,技术更复杂、要求更高、更严格。目前,三维PIV研究进展迅速,主要体现在对流场切面瞬时、连续的或某个容积内瞬时的三维速度测量,实测效果良好。已出现的三维PIV主要有以下几种:PIV、PTV和全息(HPIV)等。全息技术的光路结构和处理过程复杂,应用难度较大,因篇幅限制,本文对此不作过多论述。

　　国外在PIV研究领域起步较早、技术先进,许多研究成果商用化、产品化。国内研究总体不及国外,成果转化相对滞后,但研究对象涉及了几乎所有的PIV课题。本文针对PIV技术,重点介绍三维PIV原理和实现方法,并分析了三维PIV研究的若干进展。

　　1　PIV原理、实现和研究重点

　　在被测流场中布撒示踪粒子,在激光片光源照射下,利用图像记录设备连续获得时间序列图像。应用图像处理算法,得到粒子在图像上的位移。当已知曝光间隔时间Δt=t2-t1时,获得粒子在图像上的平均速度ΔV,其原理如图1所示。考虑系统光学放大倍率后,就能计算出粒子实际速度。如果Δt很小,可用该速度近似粒子在t1时刻位置的瞬时速度。因此,PIV测量以平均速度代替瞬时速度,示踪粒子速度代替所在位置的流场速度。

　　PIV系统框图如图2所示,其实现过程一般分为三步:通过硬件设备采集流场图像,应用图像处理算法提取速度信息,显示流场的速度矢量分布。影响PIV测量的因素众多并相互作用、相互牵制,需综合考虑,实现高精度PIV测量难度较大。

　　(1)流场图像采集。PIV系统的硬件主要有激光光源、辅助光学元器件、相机、同步器、示踪粒子和图像处理设备如PC机等。多数PIV系统仅能截取流场的某个切面进行测量,需采用激光片光源照明流场。早期的相机使用胶片记录粒子图像(Graphic PIV),不仅后续处理耗时且繁琐,也不能结合计算机图像处理技术。近年来,随着高分辨率、高速相机的性价比不断提高,数字式CCD相机已占主导地位(Digital PIV)。高能、高频脉冲式激光器的应用则要求光源和相机在同步器的控制下配合工作。示踪粒子的选择和布撒是获取流场图像的关键因素。为了使粒子的运动能够代表流场的真实流动,对示踪粒子的直径大小、密度、形状、光散射性能、播撒均匀性及浓度(根据流场中粒子浓度高低可分为不同模式:LSV、PIV和PTV,统称为PIV技术)等都有要求[1],保证粒子对流动介质具有较好的跟随性,并获得高质量的粒子图像。在某些特殊场合,可利用流场本身含有的微小颗粒作为示踪粒子[2-3]。