PIV技术在流动测试与研究中的应用

　　0　引言

　　粒子图像速度场仪(Particle Image Velocimetry,PIV)技术是一种由流动显示技术发展而来的非接触式、瞬态的整场流动测量方法,通过在流体中播撒示踪粒子,并根据图像处理技术分析粒子图像的位移而得到空间多点的速度矢量[1]。流体力学中最常用的测试手段有皮托管、激光多普勒测速仪和热线风速仪,它们有着不同的特点,在各自的应用领域起着不同的作用,但在科学研究中上述方法的共同缺点是:只能完成流场的单点测量。虽然可以完成瞬时测量,但对于复杂的湍流射流流动结构,全场同时测量的结果更有意义。PIV技术能够提供直观的瞬时全场的流动信息,它是利用脉冲激光使流场中的粒子成像,并将其记录在某种介质上进行处理分析的脉冲激光流场测量显示技术。作为研究各种复杂流场的一种基本手段,已广泛应用于各种流动的测量与显示中,尤其适用于研究涡流、湍等复杂的流动结构[2]。

　　粒子成像测速技术是流场可视化研究中的一个最新发展,它是伴随着光纤、微电子、激光、数字信号处理和图形图像处理等高新技术的发展丽发展起来的。和其它流场测试手段相比,粒子成象测速技术有两个明显的特点:一是不干扰流场;二是能够同时获取整个流场的瞬时流动速度矢量这些特点给我们在复杂流场中分析流体微团之间的相互作用及流动机理带米了极大的方便。目前该技术已被广泛用于多种石油流体机械的研究,如水力旋流器、涡轮钻具、抽油泵、重力式油水分离器、离心泵等[3]。本文对PIV在复杂流体测量中的应用及相关结果做了总结。

　　1　PIV技术在流动测试与研究中的应用

　　1·1　泊肃叶流动测量

　　在利用PIV技术进行复杂流动测量之前,了解整套系统的精度,考验其对复杂流动结构的分辨能力是非常必要的。因此,张玮[1]等人选择了两个典型的流动问题,平行平板间泊肃叶流动和圆柱绕流进行测试。前者的速度变化范围宽,从平板壁面处速度为0到平板中心处速度达到最大值,而且在壁面附近存在有较大的速度梯度,同时该问题具有NS方程的精确解,可以用来考察系统的测试精度;后者具有分离流的丰富的流动图谱,对涡系结构的测量可以充分反映PIV测量复杂流动结构的能力。

　　他给出圆柱后的一段范围(宽为2D,长为2·2D)内涡系变化的速度。分别得到t为0·2、3·5、3·8s时的圆柱附近区域的涡系状态,它清楚地反映了主流区、圆柱两侧的剪切层、圆柱后的回流区以及旋涡区的流动状态,其流动具有以下特点。

　　(1)涡量分布:由涡量图可看出,虽然每个瞬时的涡量分布都不相同,但模较大的涡量区域主要位于圆柱两则,呈带状,上、下两侧涡量符号相反。距离圆柱壁面最近的区域涡量模最大,也最为集中,随着流动的发展,两侧涡量“带”扩散,在旋涡区重新有涡量的聚集,但强度远低于始端。从一系列瞬态的涡量变化过程来看,涡量好象是从圆柱的上、下两侧壁面生成,然后沿流向“抛出”,正、负交替。