DPIV技术及其在流场测量中的应用

　　1　引　言

　　流动显示和流场测量问题由来已久[1]。流动显示技术就是在透明或半透明的流体介质中施放某种物质,通过光学作用等使流动变成可见的技术。流动显示技术是研究基本流动现象,了解流动特性并深入探索其物理机制的一种最直观、最有效的手段,在流体力学研究中一直受到人们的重视,发挥着重要作用[2]。早在1914年人们就发明了热线热膜测速仪(简称HWFA)[3],至今已有80多年历史,曾经为流动测量,特别是湍流研究立下了汗马功劳[1]。这项技术的最大缺点是接触式测量,对流场有较大的干扰。本世纪60年代发展起来的激光多普勒测速仪(简称LDV),实现了对流场的无接触测量[4][5]。它利用流场中粒子的Mie散射,测量散射光相对于原入射激光的多普勒频移量,计算粒子的运动速度。这种技术具有良好的时间分辨率和空间分辨率,可做三维测速。然而它和热线热膜流速计一样,都只是一种单点测量技术[1]。

　　随着激光技术、计算机技术、图象处理技术和摄(录)像技术的不断发展,全场测速技术在最近十几年来迅速发展起来。全场测速技术包括激光诱导磷光(Laser induced phosphoresence,简称LIP)测速技术、激光诱导荧光(Laser induced fluoresence,简称LIE)测速技术、激光散斑全场测速技术(LaserSpeckle Velocimetry,简称LSV)[6][7][8]、粒子跟踪测速技术(Particle Tracking Velocimetry,简称PTV)以及粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry,简称PIV)等。粒子图象测速技术PIV(Particle Im-age Velocimetry)是在流动显示的基础上,利用计算机图形图象学高速有效的算法,对获得的流场图象进行定量化。PIV技术与传统的方法(如热线风速仪、激光多谱勒测速仪)相比,是一种无干扰、瞬态、全流场的速度测量方法,同时由全流场的速度信息可以得到其它物理量信息,如流线图谱、压力场和涡量场等。

　　2　DPIV技术的基本原理

　　PIV技术的基本原理[9][10]是在流场中撒布合适的示踪粒子,用脉冲激光片光(light sheet)照射所测流场切面区域,通过成像记录系统摄取两次或多次曝光的粒子图像,形成PIV底片。再用光学杨氏条纹法或粒子图象相关等方法逐点处理PIV底片,获取每一判读点小区域中粒子图像的平均位移,由此确定流场切面上多点的二维速度。PIV系统的工作过程主要包括撒布粒子、片光源、摄像和图象处理等几个阶段。在二维PIV技术中,还有一种DPIV(Digital Particle Image Velocimetry)技术(即数字PIV技术)。这种技术采用数字CCD,直接记录粒子图像,用处理相继两侦数字图像(或与本桢相邻小区图像)的交叉(互)相关取得速度向量,它可以实现实时测量,是PIV技术最有吸引力的发展趋势之一。

　　2.1　示踪粒子