三维PIV应用于船舶精细流场测试研究进展

合集下载

基于PIV技术的潜艇尾流场研究

基于PIV技术的潜艇尾流场研究摘要：潜艇尾流场对潜艇水动力性能有重要影响，也是其水下噪声的重要来源。

想要研究清楚潜艇尾部涡流场，必须有精确便捷的方法。

而PIV可以测得同一瞬态整个流场的流动形式，且对所测流体不进行扰动的特点，对研究清楚潜艇尾部涡流场有着巨大的作用，所以选择用PIV测量。

结果表明：横向水流对潜艇尾部产生的干扰更大对于横向水流冲击潜艇，且与潜艇纵剖面垂直的水流对潜艇尾部的影响更大，与潜艇纵剖面有一定角度的水流影响较小关键词：PIV技术；涡流场；潜艇1.引言近些年，PIV技术迅猛发展，利用PIV技术进行的对船舶潜艇的研究也日益增多，利用PIV对潜艇进行尾部涡场进行研究，已提高潜艇水动力性能，也越来越被重视。

[1]Felli等用PIV技术对某潜艇艇体流场进行了测量，[2]骆婉珍等对船体附着冰对尾流场影响进行了实验研究，发现了冰的存在破坏了船原有的优秀设计[3]肖昌润等人对潜艇模型尾流场和水动力噪声的关系进行了研究，得出了潜艇速度改变与噪声的关系，王[4]志博等人进行了指挥台围壳对潜艇尾流影响的计算研究，得出围壳外形与潜艇尾流场特征的关系。

[5]李茂华等对三维PIV应用于船舶精细流场测试进行了研究，阐述了SPIV技术近些年的进展。

虽然对于潜艇周围流场的研究有了一些成果，但是水流冲击方向对于尾流场影响的研究较少，本文对从不同方向不同截面冲击潜艇对潜艇尾流场的影响进行研究。

2.实验2.1实验器材该实验采用了由3D打印技术制造的潜该模型，尾部的直角形附体长约1厘米，采用了激光发射器，以便观察到示踪粒子的运动情况，准直透镜将激光发射器发出的光聚成平行光束，会聚透镜放置在准直透镜之后，使光束形成一个光点；柱透镜放置在准直透镜之后，使光线形成一个约为1毫米二维片光。

加入的示踪粒子为直径为5微米的空心玻璃球，不溶于水，能较为准确的反映水的流动形式，有较强的散射力。

本实验所用的电脑由美国惠普公司生产。

所用的CCD相机每秒大约207帧，是为了进行高速拍照，后期实验数据处理所用的软件为TECPLOT,在其上能得到清晰的流线图与实验的各种参数，可得到水流的速度场。

流场可视化技术在工程应用中的创新

流场可视化技术在工程应用中的创新一、流场可视化技术概述流场可视化技术是一种将流体运动的物理现象通过图形化手段表现出来的技术。

它在工程领域中具有重要的应用价值，不仅能够帮助工程师直观地理解流体流动的特性，而且对于优化设计、提高效率和安全性具有显著作用。

流场可视化技术的发展，随着计算机图形学和数值模拟技术的进步，已经从简单的矢量场图发展到了复杂的三维动态可视化。

1.1 流场可视化技术的核心特性流场可视化技术的核心特性主要包括以下几个方面：- 直观性：能够将抽象的流体运动数据转化为直观的图形，便于理解和分析。

- 动态性：可以展示流体随时间变化的过程，观察流动的动态特性。

- 交互性：用户可以通过交互操作来改变观察的角度、时间点等，深入研究流体特性。

- 多维度：不仅可以展示速度、压力等单一度量，还可以同时展示多个物理量的分布。

1.2 流场可视化技术的应用场景流场可视化技术的应用场景非常广泛，包括但不限于以下几个方面：- 航空航天：在飞机设计中，通过流场可视化技术可以优化飞机的气动外形，降低阻力，提高升力。

- 汽车工业：在汽车设计中，利用流场可视化技术可以分析汽车周围的气流，优化汽车的空气动力学性能。

- 海洋工程：在船舶设计中，通过流场可视化技术可以评估船舶的水流影响，提高船舶的航行效率和稳定性。

- 环境工程：在污染物扩散模拟中，流场可视化技术可以帮助评估污染物在水体中的传播路径和影响范围。

二、流场可视化技术的发展历程流场可视化技术的发展历程是一个不断进步和创新的过程，它与计算流体动力学（CFD）的发展紧密相连。

2.1 早期的流场可视化方法早期的流场可视化方法主要包括等高线图、流线图和矢量场图等，这些方法能够展示流体的速度和方向，但缺乏动态性和交互性。

2.2 现代流场可视化技术的发展随着计算机技术的发展，现代流场可视化技术已经能够实现三维动态可视化，提供更加丰富和详细的流体流动信息。

现代技术包括：- 粒子图像测速（PIV）：通过记录粒子在流体中的运动轨迹来获取流速信息。

PIV测试技术及其应用

占有非常重要的地位。首先介绍了ＰＶ技术的测试原理及应用特点，述了其在船舶拖曳水池、油喷雾、固多相Ｉ阐柴气流动及离心泵内部流场领域的应用状况，时指出了ＰＶ技术的未来发展方向。同Ｉ
ｔｉｇｌｐｒｆａｕｍｐｉｄｓｒｂｄ．Ｆｉａｌｕｓｅｃｉｅｎｌｙ，ｔｅｄｖｌｐｍｅｔｄｉｅｔｎｏＶｓｐｏｏｅｈｅｅｏｎｒｃｉｆＰＩｉｒｐｓｄ．ｏ
Ｋｅｏｄｓ：ｙｗｒＰＩ；ｐａａｕｄ；ｍｅｓｒｍｅｔｏｏｆｄＶｌｎｒｆｉｌａｕｅｎｆｆｗｕｉｌｌ
ｌｆｗｍａｅ．Ｉｈｓｐｐｒ，ｔｅｔｓｉｇｔｅｒｎｐｙｎｈｒｃｅｓｉｆＰＶｒｎｒｄｃｄｉｅａｌ．ｏｉｇｓｎｔｉａｅｈｅｔｎｈｏａｄａｐｌｉｇｃａａｔｒｔｏＩａｅｉｔｏｕｅｎｄｔｉｙｉｃｓＴｈｐｌｃｔｏｎｔｗｉｇｔｎｆｓｐ，ｄｅｅｐａｅａｐｉａｉｎｉｏｎａｋｏｈｉｉｓｌｓｒｙ，ｍｕｔｈｓｏｆｇｓｓｌｎｎｅｏｉｌｆｃｎｌｐａｅｆｗｏａ —ｏｉａｄｉｎｒｆｗｆｅｄｏｅ — ｉｌｄｌ
０引言
ＰＶ（子图像测速）术Ｉ粒技是一种基于流场
的示踪粒子，示踪粒子的运动来反映水质点的运由

PIV技术在超及高超声速流场测量中的研究进展

PIV技术在超及高超声速流场测量中的研究进展徐惊雷【摘要】The special requirement for the measurement of the supersonic fiowfield is analysized, and the major difficult and the corresponding solution about using the art PIV technique in the measurement of the super/hypersonic flowfield is concluded. The analysis is mainly focused on the major requirement on the trace particle, the characteristics of the particle and the different method to put it in the flowfield. Finally the recent development of the PIV measurement of the super/hypersonic flowfield is introduced and summarized, mainly focused on the PIV measurement of the hypersonic shock wave/boundary layer interactions in the hypersonic flow and the PIV measurement of the internal flowfield of the key components of the scramjet propulsion system. The result provided the useful information for the relative researchers.%本文分析了超声速流场对测量技术的特殊要求，归纳了目前将粒子影像测速仪（particleimageve．locimetry，PIV）技术应用于超声速流场的测量时所面临的主要技术难点以及主要的解决方法，分析了超声速流场中所用PIV粒子的主要要求、粒子特性、投放方法等，介绍了PIV技术在超声速、高超声速流场测量中最新的国内外进展，特别是给出了国内外关于高超声速流场中激波／附面层的相互干扰，以及高超声速飞行器超燃冲压发动机主要部件内流场的PIV试验研究的最新进展．【期刊名称】《力学进展》【年(卷),期】2012(042)001【总页数】10页(P81-90)【关键词】PIV;超声速;高超声速;示踪粒子;激波／附面层干扰【作者】徐惊雷【作者单位】南京航空航天大学能源与动力学院,南京210016【正文语种】中文【中图分类】V411.41 引言粒子影像测速仪 (particle image velocimetry,PIV)技术是在流场显示技术的基础上,利用先进的图像处理技术发展起来的一种最新的流动测量技术.它综合了单点测量和流动显示技术的优点,既具有高精度和高分辨率,又能够获得平面流场显示的整体结构和瞬态以及平均图像.PIV技术最先在 20世纪 80年代中期用作固体材料的应力测量,但由于它能够在不干扰流场的情况下,获得整个瞬时以及时均的速度场,并且可以进一步得到涡量场等参数,很快便在流场测量中获得了应用.随着照相技术和计算机技术的不断发展,现在已经成为流场测量的主要手段之一.目前常规PIV测试系统的空间分辨率已经达到毫米级以下,若通过提高图像采集和处理的精度,其空间分辨率还可以更高(如果采用Micro-PIV系统,则空间分辨率还要高,通常情况下可以达到10µm量级).下面仅就常规PIV系统在一般实际超声速流动测量当中的应用,进行介绍与分析.2 超声速流场对测量技术的特殊要求由于 PIV测量清晰度高,测速范围宽 (如目前国内典型的PIV系统,其理论上的测速范围在0.01∼1200 m/s),足以满足绝大多数流场研究的需要,特别是它能够在基本不干扰流场的情况下,获得整个瞬时以及时均的定量结果,这一特性在超声速、高超声速等流动中具有很大的吸引力.以超声速燃烧冲压发动机进、排气系统为例,其流动本质是高度非均匀、非定常的复杂的三维流动问题,流场中存在流动参数变化梯度很大的激波、滑流面、分离剪切层,涉及了大量关于激波/激波、激波/膨胀波、激波/附面层相互作用,以及由此造成的附面层分离、大尺度分离涡和回流区等复杂现象,如图1∼图4所示[1-4].面对这样复杂的流场,传统的流场测量方法就有了一些局限性:壁面压力测量只能得到壁面附近离散点上的压力值,不能获得整个流动区域内的速度分布,而且受实验费用和复杂性的限制,实际测点分布不可能太密,壁面上压力测量的空间分辨率不高；采用Pitot管测流场,探头的引入势必会影响原有流场,而且由于事先无法确定气流方向,造成Pitot管不能对准气流.这对一个高度非均匀、非定常、复杂三维流场而言,显然无法满足要求.如果采用总压耙,虽然可以多点同时测量,但不同Pitot管之间有相互影响,总压耙对流场的干扰也将进一步加大,每个位置上测量点个数也不能太多,而且无法对准气流的问题依然存在；纹影照片虽然可以给我们提供一个完整、清晰的全流场印象,但它主要提供定性结果,不能定量描述速度场,特别是在带回流涡和分离区的气流密度变化梯度不大的区域内,纹影测量的效果会进一步下降等等. 因此,超声速流场中特有的激波等现象对于测量技术而言是一个很大的挑战:气流经过激波时在很短的距离内速度急剧减小,同时由于气流的压缩性和高空低雷诺数的影响,附面层和剪切层也会比较厚,导致激波/附面层的干扰问题更加突出,流场结构复杂.高速气流的可压缩性还会导致PIV测量过程中的另外两个难题:示踪粒子的浓度在测量区域内变化很大,即在高压低速区粒子密集,而在低压高速区粒子分布相对稀少,使得流场测量、试验数据处理与分析的难度大大增加；而且流场中的光的折射率是各向异性的,从而导致光学测量中光线传播的失真[5].因此在超声速流场中进行PIV测量,是目前国际上热点的研究内容之一.关于PIV的测量原理、系统组成、早期的应用情况,该技术的权威Adrian已经做了详细的综述[6].在20世纪90年代中期,PIV开始用于可压缩流场的测量.下面只针对PIV在高速可压缩流中的应用进行讨论.图1 进气道+隔离段子午面马赫数等值线[1]图2 进气道+隔离段水平面上压力等值线[2]图3 NASA Ames研究中心非对称喷管纹影图[3]图4 高超声速进气道纹影图[4]3 超声速流场中PIV测量的技术难点及相关进展高速可压流场的速度测量是一个流场测量技术上的极大挑战,因为“相比亚声速流动而言,它有范围更宽的流动时间尺度和长度尺度——通常要宽一个数量级”[7].与流体可压缩性相关的激波等现象,决定了流场当中的最小长度尺度接近分子平均自由程.而PIV这类通过添加粒子来测速的技术,因为流速高、粒子在测量流场当中的驻留时间很短,因此常常还要受到有限测量时间的制约.研究表明:当粒子跨过激波时,由于惯性作用,它随波后气流速度下降的速度是时间的指数函数[8],不可能做到完全跟随,而粒子的滑移速度也会在激波后达到最大值,如果不采用特殊的处理手段,这时候测出的激波会弥散,测量误差也会达到最大.此外,跨激波不仅有很大的速度梯度,而且还有可压缩性造成的很大的粒子浓度差,这时粒子的影像记录与图像处理就很困难,测量精度也会大受影响.因此,“在可压流中,粒子对紊流等高频脉动量有迟滞响应,在大的速度梯度后跟随性有迟滞,这成为PIV在高速可压流测量中的主要误差来源”[9-10].另外,尽管目前所使用的Nd:Yag激光脉冲时间很短(一般情况下小于10 ns),理论上讲可将粒子瞬时影像记录下来,但在实际测量当中,激光的脉冲时间间隔更主要地是受影像采集和数据传输的最短时间的限制(以前大约只有1µs[7],现在有所改善,如可以到0.3µs),再加上高速气流流过有限通流长度的时间限制,如典型的超声速燃烧冲压发动机燃烧室内气流驻留的时间大约在 1 ms,因此这个问题会更难处理.而且,目前主流的PIV技术是基于跨帧记录两幅粒子影像,再做互相关处理的方法,因此影像中必须有足够多的粒子,一般要求每个查问区内的粒子个数不少于15个[6],这样就使空间分辨率受到限制.因此如何提高跨激波的空间分辨率,是PIV成功应用于超声速流、高超声速流的关键技术之一,对此文献 [11-13]已做了有益的探索.其中文献[13]提出的基于“非各向同性查问窗”的自适应分辨率查问技术,在高速可压流场测量中尤其具有吸引力,因为跨激波和黏性剪切层时,速度脉动变化是强烈的各向异性,此时粒子的影像位移在激光的脉冲时间间隔内,在不同的方向上差异是很大的. 2003年,文献[7]利用这种技术成功测量了来流M∞=6(V∞=1740 m/s)的高超声速气流绕圆球的流场(图5)和楔—板组合体在来流M∞=2的可压缩流场(图6).其中前者是当时所测流速和马赫数最高的PIV测量结果.实验的高压气罐为10 m3,驱动气压50 MPa,被驱动气压0.5 MPa,产生历时1∼2 ms的M∞=6的气流.示踪粒子采用直径300 nm的铝粉,用流化床给粉器将粒子加入.采用双Nd:Yag脉冲激光器,脉冲功率140 mJ,片光宽300 mm,采用1024×1280像素的CCD,查问区为32×32,所得结果见 (图 7).楔—板组合体PIV测量在M∞=2的下吹式风洞中进行,主要研究了具有大梯度的可压缩分离剪切层.粒子采用氧化钛粉,用10 MPa的旋风分离器产生,并用二维的粒子添加耙投放,含粒子的流动区域截面积为60 mm×30 mm,粒子平均浓度为10/mm3,实测的分离剪切层的厚度为2 mm左右,所得结果见(图8).该文所做的工作,很有借鉴意义.图5 M6气流绕圆球的PIV影像图6 M2气流绕楔–板组合体的纹影图7 M6气流绕圆球的PIV测量结果图8 M2气流绕楔–板组合体的PIV速度示踪粒子的特性及其投放问题是所有PIV实验研究中的关键问题,文献[14]对示踪粒子做了全面、深入、细致的研究.一般对PIV中所用粒子的主要要求是:粒子要有高的光散射性(信噪比)和好的气动跟随性,然而这两个要求常常是互相矛盾的,实际使用时常常要折衷处理.由于PIV是整场测量,因此即使采用高性能激光器,经过激光片分散后,单个粒子上得到的激光能量密度也会降低,通常低于一般的激光多普勒测速仪 (LDV),因此对高信噪比的要求是不利的.而且,为了获得流场中足够多的细节,PIV要求的粒子浓度也比LDV高,这使得在超声速、高超声速流场中一些诸如激波、强剪切层、大尺度涡区等典型的流动结构中应用PIV得到好的测量结果是比较困难的,因为如何在这些复杂的流动结构中有效地进行示踪粒子的投放本身就是一个很棘手、很关键的问题.此外,希望PIV粒子的大小合适、分布均匀,以消除大粒子过强的信号和小粒子产生的背景噪声等对最终测量结果的不利影响.一般情况下,不可压流的 PIV测量中,示踪粒子的尺寸为1∼10µm,它满足“要小于最小的湍流涡尺寸”的基本要求,所需激光功率也相对较小,但在可压流当中,由于气流以及粒子的运动速度更高、惯性越大,从而对粒子跟随性的要求更高,因此粒子直径还要再小,从而要求使用更高的激光脉冲能量(一般要求≥100 mJ).另外,虽然铝粉、钛粉等直径较小,折射率较高,但它们在气流中的分散性不好,特别是在粒子浓度较高、较干燥时,容易由于静电作用而积聚(研究表明该积聚效应与小粒子的浓度的平方有关[14]),从而造成不均匀、不稳定的粒子流,并且影响最终的实验结果.此外,文献 [14]中介绍了用于产生 100∼1 000 nm铝粉粒子的发生器,讨论了球形粒子阻力的计算方法,给出了不同大小、不同种类粒子在紊流中的频率响应特性,介绍了已经在流体中使用过的粒子及其特性,并且对比了液体、固体示踪粒子的优缺点,讨论了采用凝结法、雾化法生成液体粒子和直接从固体粉末产生固体粒子的技术途径和优缺点,因此是PIV粒子讨论的经典文献.对于超声速气流的PIV测量而言,最关键的技术还是粒子的撒播与控制技术,其主要的问题在于示踪粒子在高速气流中形成各向异性的非均匀分布,一般而言,其产生的原因在于以下几点:(1)在测试段上游,粒子本身的撒播是非均匀的,特别是对那些在线投放的、混合很差的粒子而言影响更大,而超声速流场中大多数采用在线投放的方法;(2)激波、膨胀波等造成气体的密度发生剧烈的变化,以及常常伴随产生的黏性剪切层也会对示踪粒子的分布带来很大的不利影响;(3)对于那些常见的旋流区域,如涡、分离区、附面层等,粒子往往会被高速甩出,从而造成分布的不均匀.文献 [9]专门研究了球形粒子在超声气流中的运动,回顾了各种估算球形粒子所受流动阻力的理论,并将其中的 Cunningham方法加以推广,提出了一种可以综合考虑稀薄气体效应、气体可压缩性、流动Re数(以粒子直径和粒子与气体之间速度差为特征长度和特征速度的Re数)的影响的、估算球形粒子阻力系数CD的统一关系式,该式可在所有努森斯数(Kn)范围、Re≤200的范围内适用,并与斜激波的实验结果做了对比,符合很好.关于PIV技术在超声速燃烧冲压发动机流场中的应用,目前也有一些很有价值的研究结果.代表性的如:文献[15]用PIV测量了相当于飞行马赫数Ma=5的双模态超声速燃烧冲压发动机中燃烧室内的氢气/空气的超声速流场,进口Ma=2,进口总温1200 K,所用粒子为铝粉,直径300 nm.测量得到了燃料喷注楔面下游的掺混尾迹流和燃烧尾迹流的速度场,讨论了粒子投放、图像提取、数据处理、实验数据可信度等问题,并将结果与CFD做了对比. 测量所用的片光宽 12 mm,厚0.8 mm,脉冲时间10 ns,脉冲间隔100 ns,激光功率100 mJ,并对所得的图像进行了特殊的过滤处理以获得更好的实验结果.通过估算速度测量的不确定度、空间精度、非均匀粒子等各种因素的影响,最后得到的总实验误差大约为6%.此外,文献[16]用PIV测量了下吹式风洞中高超声速尖劈绕流流场,来流M∞=6,速度V∞=930 m/s,总温519 K,总压6.9 MPa,尖劈为15°楔角,粒子采用铝粉,通过流化床给粉器添加.文献[17]用PIV测量激波风洞,最大M∞=4.5,最大V∞=1500 m/s,总温1300 K,总压25 MPa,风洞工作时间1∼2 ms,粒子采用氧化钛粉,直径320 nm,脉冲间隔1.5µs,粒子迟滞时间2.1µs,通过流化床添加粒子,并用旋风分离器减少粒子积团现象,保证平均每个查问区有10∼20个粒子.测量视场200 mm×200 mm,测量结果的标准偏差约为1%.以上研究充分表明:PIV测量技术完全可以应用于高速可压缩流动中.需要注意的是,PIV的最终测量精度不仅与粒子的光散射性、跟随性、粒子在空间的分布浓度与均匀程度、激光器和光学系统的性能等有关,还与这些粒子影像的处理方式有关.文献[18]对前人采用迭代法来组合使用互相关法和三点Gauss峰值装配法的图像处理方法进行了分析,指出虽然这类方法可将测量精度提高到 0.04像素量级,但它要求至少采用32×32像素以上的大查问区,导致了在取得高精度时并不能保证高的空间分辨率的问题.然后提出了一种新的基于梯度法的技术,用梯度法取代三点Gauss峰值装配法来计算亚像素(sub-pixel)中的位移,从而使得在13×13或更小的查问区内得到了0.01像素的精度,达到了高精度与高分辨率的统一.文献[19]用PIV测量了超声速燃烧冲压发动机模型的燃烧室内两种氢气喷嘴产生的不同流场,空气马赫数为2,气流速度最高1112 m/s,粒子为氧化钛、氧化铝、硅胶等.其中硅胶的光散射性好,性能稳定,“粒子在空气和氢气的Stokes数分别为0.011和0.068,远远小于0.25的保证跟随性的最低要求”[19].文献[19]中还给出了相应的粒子投放系统,如图9所示.图9 典型的PIV粒子投放系统[19]为了应对宽流场范围中 PIV测量的需求和困难,文献 [20]用 PIV测量了M∞ =2,最大V∞=500 m/s的下吹式风洞中上游脉冲射流对于圆柱绕流所形成的激波—附面层相互作用的影响,测量中并列使用了3个3M像素的CCD,因此总的测量区域扩大到68.4 mm×22.8 mm,采用Nd:Yag激光器,功率30 mJ,粒子采用氧化钛粉,用二级流化床和旋风分离器提供粒子,并在储气罐上游通道中由压缩氮气带入,3个脉冲延迟发生器用以控制同步器和各部件.由测量结果知:连续的射流注入使附面层分离激波的平均位置推迟了1/3圆柱直径,使间歇区尺寸减小20%,脉冲射流的效果与此类似,而且射流取消后,整个流场并不恢复到先前无脉冲射流的情况.但是,当粒子非常小时,还需要注意布朗运动对其最终测量结果的影响.文献 [21]恰恰就是利用布朗运动—分子热运动—气体温度三者之间的内在关系,用PIV测量了流体的温度.所用胶体粒子直径0.7µm,当温度变化范围达到25°时,测量精度达到3°.此外,文献[22]用PIV进行了湍流场测量,用模型谱函数(model spectrum function)给出了从物理分析中得到的必须满足的空间分辨率,并与热线风速仪的测量结果做了对比.文献[23]用 PIV测量流动加速度,这对获取更多流动信息、精确求解壁面上的压力载荷都是有益的探索.文献 [24]用2D自由涡流模型模拟了重粒子的轨迹,表明即使粒子直径较小,也会因离心力而不能很好地跟随,例如,1µm的粒子在1 s时间内才会从涡心消失,当然粒子越小该影响也就越小.作为最新的进展,文献[25]采用PIV研究了湍流附面层与激波的相互作用,而文献[26-27]则进一步研究了高超声速情况下的湍流附面层与激波的相互作用,特别是文献[27],通过在壁面附近采用分辨率自适应的查问窗技术,使得壁面法向的空间分辨率增大,获得了湍流附面层与激波相互作用流场清晰的结果,如图10所示.图10 湍流附面层与激波的相互作用的PIV结果文献[28]研究了来流马赫数7的二维双楔组合体产生的复杂流场,其应用背景包括高超声速进气道、从轨道返回大气层的飞行器等,具有典型的激波/激波、激波/附面层相互作用的现象,而这些会在壁面附近导致很高的局部热流和压力,从而影响控制面上的气动性能和飞行器的结构完整性.与纹影照片的对比分析表明:二者均可捕捉到激波的结构,不过囿于单个PIV曝光中的动态范围的限制,PIV对较弱的激波分辨不清,但是经过再附点和准正激波的速度场的变化却只有PIV能捕捉到[28].PIV 和CFD计算结果的对比分析表明:尽管在激波结构和激波后的速度分布方面二者符合得很好,但是在分离区的大小及其与外流之间的相互作用方面,二者还存在着一定的差异,如图11所示.不久前又有两篇相关的重要文献发表.其中,文献[29]针对超声速燃烧冲压发动机中燃烧室热态流场的PIV测量问题,专门设计了两套独特的流化床粒子添加装置,用来给燃料和空气加入示踪粒子,并且用试验进行了验证.利用电子显微镜扫描所采集的粒子样品,对示踪粒子进行了定量的测量,证实了空气中的示踪粒子比燃油中的粒子有更好的示踪效果.文献[30]在马赫数5来流条件下,针对进气道/隔离段的模型在高背压条件下不起动的动态过程进行了PIV测量,再现了在不起动过程中,不起动激波系在试验通道中逐渐向上游传播并且引起附面层分离的过程,给出了一个“强烈依赖于黏性效应的复杂的三维结构”.典型结果如图12所示.这些都表明:PIV作为超声速流场测量的有力武器,正在得到越来越广泛和深入的研究.图11 Ma=7的二维双楔组合体流场的PIV、纹影照片与CFD结果对比图12 在不起动过程5 ms时的流场4 国内应用PIV技术的研究进展国内近年来,主要对于不可压缩、跨声速、低超声速流场进行了PIV测量技术的研究,特别是在亚声速流动中,取得了一系列的成果.文献[31]主要对超音速冲击射流做了较为细致的 PIV实验、计算研究和噪声场的测量,获得了在不同的冲击工况下,呈轴对称和螺旋结构的冲击射流流场结构.文献 [32]运用 PIV研究了非定常自由来流下三角翼前缘涡瞬时结构的变化,得出了前缘集中涡的破裂点位置的移动规律.文献[33]利用高分辨率、高帧率PIV系统对平板湍流边界层中相干结构的多种空间尺度和边界层内 SL标度律在不同尺度下的具体表达形式进行了实验研究.文献[34]对旋流煤粉火焰在两种分级进风的情况下用PIV测量了燃烧室内的速度分布,研究了湍流拟序结构对旋流火焰的燃烧特性及一氧化氮排放的影响.文献[35]对出口马赫数1.6的自由喷流及喷流中放置尖劈的两种超音速流动进行了测量.文献[36]分析低速大尺寸压气机试验台转子近叶尖区域的立体PIV测量结果,发现在设计状态流场中的损失主要源于叶尖泄漏涡,而在近失速状态则主要源于叶尖泄漏涡和角区旋涡.申功炘和魏润杰等[37]用PIV成功进行了多种流体力学实验,如:1.5马赫超音速喷流,三角翼前缘涡破裂复杂流场测量,大型工程水洞流场校准,绕摆动圆柱卡门涡测量,锥阀管道模型和漩涡分离器内流场测量等.文献[38]在马赫数为3.8超声速风洞中,采用PIV技术测量了超声速光学头罩流场的速度分布.实验结果表明,示踪粒子在超声速流场中有很好的跟随性,采用的高精度速度场算法能够很好地反映超声速光学头罩流场的速度分布.文献[39]采用PIV测量了方腔通道内气体液雾两相交叉横向流的掺混,比较了3种喷嘴布置角度在不同气流速度下的掺混效果.文献[40]从图像前处理、区域离散、匹配原则、搜索方法和变形预测等方面总结了当时国内外互相关算法的发展过程.文献[41]通过摇滚/PIV/压力同步测量实验,对翼身组合体前体涡诱导的双极限环摇滚过程中流动特性及演化规律进行了系统的研究,并分析了前体涡诱导翼—身组合体双极限环摇滚的流动机理.作者所在课题组从2003∼2006年,针对超声速冲击射流进行了详细的实验研究,获得了喷管出口中心线M∞=1.754(V∞=473 m/s)、M∞=1.831(V∞=500 m/s)和M∞=3(V∞=621.3 m/s)的过膨胀冲击射流复杂流场的完整的流动图谱和精细的流场结构[42],并研究了不同冲击高度、不同的射流出口马赫数等因素对整个射流场的影响,如图12∼图15所示.2007∼2008年,针对高超声速推进系统中的非对称大膨胀比喷管(SERN)在过膨胀状态下的出口流场进行了初步的PIV实验研究[43],获得了这种流动中特有的内羽流激波、附面层的分离激波、附面层分离区、激波相交与干涉等现象,如图16所示.2009年6月,针对带模型进气道的、超声速燃烧冲压发动机等直隔离段内的流场进行了PIV实验研究[44],不仅获得了隔离段内激波串在流动方向上的大尺度的前后非定常脉动现象的PIV实验数据,而且发现了在几个较高的背压条件下,随机的、大幅度的“激波切换”现象,实验与相应的非定常计算数值模拟结果吻合.典型结果如图17所示.图13 Ma=1.83高度1.5D时滞止泡内回流涡结构图14 Ma=1.83高度2D时射流轴线及两侧速度分布图15 Ma=1.831高度为5D时的激波结构图16 Ma=3高度为4D时的平均流场图17图18 反压0.7大气压(5.14倍反压)流场速度矢量图综上所述,PIV作为一种新型的流场测量技术,在超声速、高超声速流动问题中具有广阔的应用前景,经过十余年的研究和摸索,积累了丰富的研究经验,测量方法、仪器设备、数据处理与分析等各方面都有了长足的进步.相信这一利器将在未来的科研和工作中发挥更大的作用.参考文献1 徐惊雷,张堃元.唇口对侧压式高超声速进气道及等直隔离段影响的数值分析.航空动力学报,2004,19(6):806-8102 徐惊雷,张堃元.马赫数对侧压式高超音速进气道及等直隔离段三维内流场的影响的数值分析.航空动力学报,2004,17(4):489-4943 Deere K A.An experimental and computational investigation of a translating throat single expansion ramp nozzle.AIAA-96-25404 张堃元.国家XXX计划XXXX进气道技术2002～2003年度研究报告.2003.176-185。

PIV技术在流场测量中的应用

PIV技术在流场测量中的应用PIV技术是一种光学的非接触测量技术，它的最大贡献是突破了LDA（Laser Doppler Anemometer）激光多普勒测速仪等空间单点测量技术的局限性，既具备了单点测量技术的精度和分辨率，又能获得平面流场显示的整体结构和瞬态图像，可在同一时刻记录下整个流场的有关信息，并且可分别给出平均速度、脉动速度及应变率等信息。

同时，它的结果可以与计算流体力学（CFD）模拟结果进行对比，以促进CFD技术的发展。

随着计算机技术与图像处理技术的快速发展，PIV技术越来越得到广泛的应用。

为了满足用户对低速流动测量和教学演示的要求，丹迪公司推出了全新的MiniPIV系统。

激光器MiniPIV系统采用RayPower激光器作为MiniPIV的光源。

RayPower激光器结构紧凑，自带空气冷却而无需外部冷却系统。

RayPower激光器具有良好的光斑质量（接近TEM00），有三种能量可以选择：450mW、2W和5W。

软件DynamicStudio是一个革命性的，灵活的并且易于掌握的图像系统软件平台。

可用于诸如粒子图像测速系统(PIV)，激光诱导荧光系统(LIF)，燃烧诊断，粒径测量，及雾化特性分析等领域。

DynamicStudio软件平台存在于整个实验过程: 从整套系统的建立，数据采集直至最终的数据处理、分析及图形显示。

其整套架构都为更高传输速度及更大图像分辨率的相机而设计。

由于采用了即插即用及动态向导技术，整套系统硬件的管理及控制变得非常轻松。

一些最新的图像处理技术，如分布式数据计算、本征正交分解、图像拼接、LSM算法等也整合在软件平台内，使得用户可以方便快捷的对整个测量过程有更深层次的认识。

圆柱绕流的拉格朗日特征追踪研究旋转流场实验结果(速度梯度场)对比：。

PIV技术的应用与发展

第6期收稿日期：2019－03－11作者简介：孔维波(1993—)，陕西宝鸡人，硕士研究生，主要从事水处理理论与技术的研究。

PIV 技术的应用与发展孔维波(兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州730070)摘要：文章介绍了PIV 技术的发展历程，阐述了PIV 系统的组成与工作原理，对当前PIV 技术在流场测量方面的应用进行了介绍，并对PIV 技术的研究发展进行了展望。

关键词：PIV ;流场测量;应用与发展中图分类号：TH814文献标识码：A 文章编号：1008－021X (2019)06－0115－01Application and Development of PIVKong Weibo(School of Environmental and Municipal Engineering ，Lanzhou Jiaotong University ，Lanzhou 730070，China )Abstract :In the paper ，the development process of PIV were introduced ，the composition and working principle of PIV system were expounded ，the application of current PIV technology in flow field measurement was introduced ，and the research and development of PIV technology were prospects．Key words :PIV ;flow field measurement ;development and application PIV (粒子图像测速)技术是一种建立在图像互相关分析基础上的现代流场测量技术。

该技术综合了显示测量技术和单点测量技术的优点，在能够显示所测流场整体结构的同时又保证了测量的分辨率和精度。

基于粒子图像测速技术(PIV)的砂箱物理模拟实验研究

基于粒子图像测速技术(PIV)的砂箱物理模拟实验研究【摘要】本研究基于粒子图像测速技术(PIV)，通过砂箱物理模拟实验研究了流场的特性。

在实验中，我们设计了相应的实验装置并设定了合适的实验条件，通过对实验结果进行分析并采用适当的数据处理方法，得出了详细的模拟结果并进行了对比。

研究背景提出了该领域的研究现状，研究目的明确了本研究的目标，研究意义探讨了该研究对相关领域的推动作用。

最后结论部分总结了本研究的成果，并展望了未来的研究方向，同时总结了本研究的创新点。

通过本研究，我们深入探讨了流场特性，并为相关领域的研究提供了有益的参考。

【关键词】粒子图像测速技术(PIV)、砂箱物理模拟实验、实验装置、实验条件、实验结果、数据处理、模拟结果、研究背景、研究目的、研究意义、研究总结、未来展望、创新点1. 引言1.1 研究背景粒子图像测速技术(PIV)是一种用于测量流体运动速度场的先进技术，通过跟踪流体中的微小颗粒运动轨迹，可以获取流场中各点的速度信息。

在流体力学研究中，PIV技术已被广泛运用于风洞实验、水动力学模拟、气体动力学研究等领域。

对于颗粒流体混合的复杂情况，如砂土流动等，PIV技术的应用尚处于探索阶段。

砂土是一种典型的颗粒流体，其运动特性受多种因素影响，包括颗粒间的相互作用、外界环境的影响等。

通过结合PIV技术，我们可以实时监测砂土流体的速度场分布，并进一步分析砂土流动的规律和特性。

这对于增强对砂土运动机理的理解，提高土壤工程建模的准确性具有重要意义。

本研究旨在利用PIV技术对砂土流动进行实验模拟研究，探索砂土颗粒在流动过程中的运动规律，为土壤工程领域提供新的研究思路和技术支持。

通过这项研究，我们有望揭示砂土颗粒流动的内部机制，为工程实践提供更加科学和可靠的依据。

1.2 研究目的。

本实验旨在利用基于粒子图像测速技术(PIV)的方法，对砂箱物理模拟实验进行研究，以探究不同条件下砂土颗粒运动规律和流体-颗粒相互作用机理。

三维粒子图像测速

互相关数值实验
乘法互相关公式：
NN
C(X,Y) f1(Xi,Yj)f2(XiX,YjY) i1j1
乘法互相关相关谱：
x 106 3
2.5
2
1.5
1 10
5
10
5
0
-5
0
-5
-10 -10
减法互相关公式：
NN
C ( X , Y) f1(X i,Y j)f2(X i X ,Y j Y) i 1j 1
二维到三维的信息丢失
左图为三维空间粒子场的动画
从三维空间粒子场的动画中看到各种角度下三维空间粒子场的二维度结构形态
层析ART重构数值模拟实验
左图用于层析重构的成像模型。在个顶视成像平面里展示了，像素单元线，测量空间是二维体素阵列。灰度水平表示出对应于像素的权重系数的值
下面是数值实验的结果
2.从湍流研究看：湍流具有非定常、三维和非线性等特征，增加了湍流实验观测的难度，所以开展对湍流场的实验测量方法和技术的研究,来进一步了解湍流的发展演化机理是非常必要和迫切的。PIV等流动显示和测量技术近年来得到了迅速发展，但是针对三维性、非定常等湍流特征，现代技术还没有完全解决，需要新的更有效方法来从机理上分析湍流中流动结构及其形成原因，因此，这方面的研究已成为湍流研究的前沿课题。开展新的流体力学实验测量手段—基于多相机的瞬态三维激光层析测量关键技术的研究，包括多相机流场测量的标定技术和速度重构算法。
左，右下图说明：原图是一个大格子的黑白间隔图，我们把它视为三维空间里的一个水平截面重构图就是对原图的还原，可以把黑色格子看成是粒子（相对来说是非常非常的粒子），重构后，可以看出，黑色格子—粒子的图像周边变得模糊，黑色粒子重构后有了“影子”

PIV原理及其应用

PIV原理及其应用PIV是Particle Image Velocimetry的缩写，意为“粒子图像测速”，是一种用于测量流场速度和流体运动行为的非接触式光学测量技术。

它通过将流场中的小颗粒（通常是悬浮在液体中的粒子）作为示踪物来进行测量，利用高速摄像机等设备捕捉颗粒图像，并通过图像处理和分析获取流场的速度和速度矢量分布信息。

PIV的基本原理是利用颗粒在流场中随流动变化的速度来获取流场速度信息。

具体操作过程包括以下几个步骤：1.示踪颗粒标记：在流体中添加适量的颗粒（通常是微米级的粒子），这些颗粒应具有足够的密度和散射光的特性，以便使它们能够被摄像机捕捉到。

2.图像获取：使用高速摄像机等设备对流场中的颗粒进行连续的图像捕获。

由于颗粒会在流场中运动，因此在时间序列上连续获取的图像可以反映出颗粒的运动轨迹。

3.图像处理：对连续捕获的图像进行处理，以识别和跟踪颗粒的位置。

通常使用相关算法、互相关算法或相关算法和追踪算法的组合来实现。

4.速度计算：根据颗粒在相邻图像之间的位移，计算每个颗粒的瞬时速度。

可以根据这些速度数据获取流场的速度分布和速度矢量图像。

PIV技术具有许多应用领域，以下列举其中几个典型的应用：1.流体力学研究：PIV技术可以用于测量液体和气体的粘性、湍流、湍流结构、边界层行为等流体力学性质。

通过获取流体流动的速度分布和速度矢量图像，可以对流体的流动行为进行详细的分析和研究。

2.空气动力学研究：PIV技术可以用于测量飞机、汽车、船舶等物体周围的气流速度和流场结构。

这对于设计和优化运输工具的气动外形、减少阻力和气动噪声等方面具有重要意义。

3.涡流研究：PIV技术可以用于测量涡流的速度、旋转方向和强度等特性。

涡流是流体中旋转速度明显高于周围流体的局部区域，它在空气动力学、流体力学和气象学等领域中都有重要的研究价值。

4.生物流体力学研究：PIV技术可以用于测量生物流体中的速度分布，如心脏血流、肺部气流、细胞运动等。

piv技术在涡轮叶栅内流场试验中的应用

piv技术在涡轮叶栅内流场试验中的应用以piv技术在涡轮叶栅内流场试验中的应用为标题涡轮叶栅是涡轮机械中重要的组成部分，其内部流场特性对整个涡轮机械的性能和效率有着重要影响。

为了更好地了解涡轮叶栅内部的流动特性，研究人员采用了一种高精度的流场试验技术——PIV （粒子图像测速）技术。

本文将详细介绍PIV技术在涡轮叶栅内流场试验中的应用。

我们需要了解PIV技术的基本原理。

PIV是一种非接触式的流场测量技术，通过在流场中加入微小的颗粒示踪物，并使用激光照射流场，然后通过高速摄像机记录颗粒在不同时间间隔内的运动轨迹。

通过对这些轨迹进行处理和分析，可以获得流场中的速度分布信息。

在涡轮叶栅内流场试验中，PIV技术可以提供以下关键信息：1. 速度分布：通过PIV技术可以获取涡轮叶栅内不同位置的速度分布情况。

这对于了解叶栅内部流动的特征、涡结构的形成、涡脱落等现象具有重要意义。

通过对速度分布的分析，可以优化叶栅的设计，提高流动效率。

2. 湍流特性：在涡轮叶栅内部，湍流的存在对流动的稳定性和能量损失有着重要影响。

PIV技术可以提供湍流的统计特性，如涡量、湍流强度等参数。

这些参数可以用来评估叶栅的湍流控制效果，优化叶栅的结构和布置。

3. 二次流效应：在涡轮叶栅内部，由于涡结构的存在，会产生二次流效应。

PIV技术可以提供二次流的分布情况，如二次流速度、二次流方向等。

这些信息对于了解叶栅内部的流动特性和二次流对叶栅性能的影响具有重要意义。

通过对PIV技术的应用，研究人员可以更全面地了解涡轮叶栅内部的流场特性，为叶栅的设计和优化提供参考。

同时，PIV技术还可以与数值模拟方法相结合，进行流场数据的验证和修正，提高模拟结果的准确性。

然而，PIV技术在涡轮叶栅内流场试验中也存在一些挑战和限制。

首先，由于涡轮叶栅内的流动速度较高，需要使用高速摄像机和快速激光脉冲来捕捉流场中颗粒的运动轨迹。

其次，颗粒示踪物的选取和分布对测量结果有着重要影响。

PIV实验技术报告

PIV实验技术报告摘要：本文介绍了PIV（粒子图像测速）实验技术的原理、仪器设备、实验过程和数据处理方法。

通过PIV实验，可以精确地测量流体介质中的速度分布，并对流场的运动特性进行分析和研究。

实验结果表明，PIV技术是一种高精度、高分辨率的流场测量方法，对于流体力学研究和工程应用具有重要意义。

1.引言粒子图像测速(PIV)是一种用于测量流体介质中速度场分布的非接触式测量方法。

它通过在流场中添加颗粒或通过实验液体中的已有颗粒来测量流场中颗粒的运动轨迹，并利用计算算法来获得流场中的速度矢量场。

本文主要介绍PIV技术的原理、仪器设备、实验过程和数据处理方法。

2.原理PIV实验的基本原理是通过拍摄两幅连续时间间隔极短的图像，再通过计算机处理这两幅图像来获得流场速度分布。

实验中，通过成像装置将流场中的颗粒的二维图像记录下来，并通过图像处理软件对这些图像进行处理，得到颗粒运动的位移信息。

根据颗粒在两幅图像中的位置变化以及两幅图像之间的时间间隔，可以计算出流场中颗粒的平均速度。

3.仪器设备PIV实验所需的主要仪器设备有：激光器、摄像机、成像装置、实验容器和图像处理软件。

激光器用于提供激光光源，摄像机用于捕捉流场中颗粒的图像，成像装置用于将颗粒的图像传送给摄像机进行记录，实验容器用于容纳流体介质，图像处理软件用于对图像进行处理和分析。

4.实验过程PIV实验的基本步骤包括：实验准备、实验装置安装、调试系统、进行实验和数据处理。

实验前需要根据具体情况选择合适的颗粒，并进行流动性能测试以确定实验参数。

然后需要根据实验要求进行装置安装和调试，确保实验装置的稳定性和准确性。

实验过程中，通过激光照射流体中的颗粒，并通过摄像机记录颗粒的图像。

最后，通过图像处理软件对图像进行处理和分析，得到流场的速度分布数据。

5.数据处理方法PIV实验得到的数据需要经过一系列处理方法来提取有用的流场信息。

数据处理方法包括：图像预处理、图像匹配、自相关分析、位移矢量计算和速度矢量分析。

基于粒子图像测速技术(PIV)的砂箱物理模拟实验研究

基于粒子图像测速技术(PIV)的砂箱物理模拟实验研究【摘要】本研究基于粒子图像测速技术(PIV)，通过砂箱物理模拟实验探究颗粒在不同特定流场下的运动规律。

在实验设计中，我们搭建了流动场装置，并通过PIV技术实时捕捉颗粒运动图像。

测速原理部分介绍了PIV技术的工作原理及应用。

在数据处理方法中描述了如何处理和分析实验数据，结果分析部分详细探讨了实验结果及颗粒运动规律。

实验验证部分通过与理论模型对比进行验证。

最后结论部分总结了实验结果，展望了PIV技术在地质工程领域的应用前景。

本研究将深入探讨颗粒在复杂流场下的运动规律，为解决地质工程中的颗粒运动问题提供理论支持。

【关键词】粒子图像测速技术(PIV)、砂箱物理模拟、实验设计、测速原理、数据处理方法、结果分析、实验验证、实验结果总结、技术应用展望、研究背景、研究意义1. 引言1.1 研究背景随着科学技术的不断进步，粒子图像测速技术(PIV)在流体力学研究中得到了广泛应用。

砂箱物理模拟实验是一种常用的流体力学实验方法，通过在实验室环境中模拟真实的地质流体运动情况，可以帮助研究人员理解地下水流、地表水流、河道水流等现象的规律。

传统的砂箱物理模拟实验存在着一些局限性，比如实验数据获取困难、测速精度低等问题。

而基于粒子图像测速技术的砂箱物理模拟实验则能够更准确地获取流体速度场信息，提高实验数据的准确性和可靠性。

本研究旨在结合粒子图像测速技术和砂箱物理模拟实验，探讨如何应用PIV技术提高砂箱实验的测速精度，以及进一步揭示地下水流或地表水流等流体运动规律。

这将为地质工程领域提供更为准确的实验数据和分析方法，具有重要的理论和实践意义。

1.2 研究意义基于粒子图像测速技术(PIV)的砂箱物理模拟实验研究具有重要的理论和应用价值。

通过这种技术可以精确地测量流体中颗粒的速度和运动轨迹，从而揭示颗粒在流场中的动力学行为和相互作用规律，为颗粒物理学和流体力学等领域的研究提供重要的实验数据。

轴流泵叶轮出口流场的3D-PIV测量

以采用反向进水．ｂ．为了固定泵轴，同时考虑叶轮进口的水流条件，叶轮进口前重新设计一副直导叶．在如果导叶与叶轮
之间的间隙过小，叶后的水流尾迹将使叶轮进口的水流不均匀，此将导叶与叶轮进口的距离加大为导因
１实验装置
１１轴流泵的改装．
实验室原有轴流泵的基本性能参数［为：］流量００３ｓ扬程６４设计转速为２０ｒｒｎ为了测试的．９／，ｍ．ｍ，９０／ｉ．ａ需要，将水泵进行如下改装：
ａ考虑到传统的水泵叶轮上方导叶部分与直管段已连接成一个整体，人标定物进行标定很困难，．放所
在对流场的二维测试．
笔者应用３ —Ⅳ 技术对轴流泵叶轮出口流场进行测量，方面分析叶轮的水力性能与流场之间的关ＤＰ一系，叶轮的设计提供参考和依据，为另一方面为叶轮的导叶设计提供真实的来流条件，此外研究结果还将为计算机模拟轴流泵叶轮出口流场提供试验数据．
Ｄ：０３７／．ｓ．００１８．０００．０ＯＩ１．８６ｊｉｎ１０ —９０２１．５０７ｓ
轴流泵叶轮出口流场的３ＰＶ测量Ｄ．Ｉ
耿卫明，刘超２汤方平２，
（．苏省南通市通州区水利局水利建设所，１江江苏南通２６０；．州大学水利科学与工程学院，苏扬州２３０２扬江２５０）２０９

三维粒子图像测速

图4.4-2
互相关
To时刻图像
T1时刻图像
图4.4-3
互相关
在速度梯度为0时如图4.4-1所示，也就是代表了流场无变形，互相关是很好解决的，不会存在大误差。在速度梯度不为0时如图4.4-2 图4.4-3所示，流场有了变形，做互相关的两张图像里的粒子形态也有了变形，这时所做的互相关误差就比较大了。
三维重构
• 三维重构概念 • 三维重构之层析PIV • 沿相机视线画网格的网格模型
三维重构概念
• 三维重构是计算机视觉研究的主要内容，主要是从二维图像获取三维景物的三维结构信息，其过程是一个复杂的逆问题，需要借助各种优化技术和射影几何理论来解决，而且对噪声或离散化引起的误差极其敏感。研究的主要内容是：1，三维到二维正变换 2，二维到三维的逆变换 3，虚像影子的认识 4，二维到三维的信息丢失
三维粒子图像测速技术工作模块示意图
三维粒子图像技术以三维重构技术为核心，建立起流场粒子三维结构分布。相机标定是对三维粒子图像测速系统进行标定，提高精度。示踪粒子与流场，互相关息息相关。互相关技术主要是通过互相关方法建立起粒子场的速度场。
相机标定
三维重构
示踪粒子
互相关
本文的工作任务如工作模块示意图所示，主要集中在最为复杂也是核心的三维重构技术的研究。并做了相关的相机标定的研究与分析（本文的相机标定的主要工作皆由靳秀青学姐所做），以及相关的互相关技术的研究。
互相关数值实验
乘法互相关公式：减法互相关公式：
C(∆X, ∆Y) = ∑∑ f1(Xi ,Yj ) − f2(Xi +∆X,Yj +∆Y)
i=1 j=1 N N
C(∆ ,∆ )=∑∑f1(Xi,Yj )×f2(Xi +∆ , j +∆ ) X Y XY Y

PIV技术在旋转流场测试中的应用

到在叶轮内埋置速度传感器，再到现在采用激光技术的激光流速仪测量，旋转流场测量方法经历了从
简单到复杂，从粗略到精确的发展过程ｌ。随着现代流体测试技术的发展，光学测速技术在旋转流场２Ｊ的研究中得到了广泛应用ｐ４。。Ｊ近二十年是全场观测技术取得重要进展的时期。首先在流动显示、可视化方面再度被重视，并引
收稿日期：２１ —３０；修改稿收稿日期：２１－９２０００．９０００－６基金项目：海洋工程国家重点实验室开放基金（基金编号：００）９５
中
国
造
船
学术论文
（）将播撒有示踪粒子的流场以脉冲片光源照明；１
点，图２（）～图２（）为同一相位５个不同时刻的矢量图形，流场在这一相位显示为一个涡形，图ａｅ２（）为该相位１０个不同时刻流场平均，平均后的涡形更加明显，光顺。但这也有另外一个缺点：ｆ０平均过程抹平了可能出现的真实的流场瞬时量。
分周期性。令（，（表示ｆ时刻相位（。６。ｆ）ｆ）０～３０）下的流场，其中ｆ为测试误差，若为叶（）
１＂
片旋转周期，则应有（，相似于（，，ｌ，３．ｆ）ｆ ” ）＝，２ … ．令厂＝
的方法。
１相位平均技术６】
尽管旋转流场流动复杂，湍流强烈，但是由于螺旋桨或者泵叶片是周期性旋转的，若把流场中涡

导管螺旋桨内流场的PIV测量

第21卷　第2期实验流体力学V ol.21,N o.2 2007年06月Journal of Experiments in F luid Mech anics Jun.,2007　文章编号:167229897(2007)022*******导管螺旋桨内流场的PIV测量Ξ张　军1,张志荣1,朱建良1,徐　锋1,陆林章1,代　钦2(1.中国船舶科学研究中心,江苏无锡　214082;2.上海大学,上海　200072) 摘要:内流场对于导管螺旋桨的设计和性能分析是至关重要的,利用随车式PI V在中国船舶科学研究中心拖曳水池进行了导管螺旋桨的内流场测量。

使用标靶技术建立了物像对应关系,从而修正导管曲率和厚度产生的图象畸变。

使用同步控制器实现螺旋桨相位、CC D摄像和激光器的精确同步控制。

试验分别在三个不同进速系数J=1.2,1.0和0.8下进行。

试验结果很好地反映了螺旋桨梢涡、毂部涡、以及螺旋桨上下表面脱落的旋向相反的尾涡,以及近导管内壁、桨毂壁面涡层等流动特征。

试验表明,涡强都随着进速系数的减小而增加。

与螺旋桨前流动相比,导管内螺旋桨后轴向速度沿径向分布的不均匀性明显增强。

试验结果表明,对于导管厚度与曲率都空间变化的导管螺旋桨,应用PI V技术进行内流场测量在技术上是可行的。

关键词:导管螺旋桨;内流场;PI V 中图分类号:U661.3 文献标识码:AI nvestigation of internal flow field of ducted propellerusing particle image velocimetryZHANGJun1,ZHANG Zhi2rong1,ZHU Jian2liang1,X U Feng1,LU Lin2zhang1,DAI Qin2(1.China Ship Scientific Research Center,Wuxi Jiangsu　214082,China;2.Shanghai University,Shang2hai　200072,China) Abstract:Analysis of internal flow field is very im portant to the design and performance prediction ofducted propeller.The towing PI V is applied to measure the internal flow field of ducted propeller in a towing tank(150m×7.0m×4.5m)of CSSRC.A body2fitted target is used to calibrate the image distortion causedby the duct.The synchronizer controls laser and CC D to operate at preset angular position of propeller blade.The test is carried out at three advanced coefficients J=1.2,1.0and0.8respectively. The test results show clearly the flow characteristics of tip v ortex,hub v ortex,and trailing edge v ortex(TE V)shedding from the upper and lower surface of propeller blade,and the v ortices layer near boundary of the duct and hub.And it als o reveals the variation trends of velocity field,v orticity distribution with advanced coefficients.The results from this test prove that the PI V technique is suitable to measure the internal flow field of ducted propeller. K ey w ords:ducted propeller;internal flow field;PI VΞ收稿日期:2006206204;修订日期:2006211216基金项目:水动力学国防科技重点实验室基金项目(514430101ZS210).作者简介:张　军(1967-),男,江苏如东人,研究员.研究方向:船舶水动力学.0　引　言导管螺旋桨由于能显著地增加效率,因此在船舶和飞机等工程领域已经有重要应用。

开普勒多光谱piv -回复

开普勒多光谱piv -回复什么是开普勒多光谱PIV技术？开普勒多光谱PIV是一种用于流体力学研究中的粒子图像测速（PIV）技术。

PIV技术是通过观察流体中的追踪粒子在连续时间间隔内的移动来研究流体流动的方法。

它广泛应用于天气模拟、风洞测试、汽车气流研究等领域。

而开普勒多光谱PIV技术作为PIV技术的一种改进方法，允许我们通过使用多个波长的光源进行研究，提供更多的信息来检测流体中颗粒的运动。

开普勒多光谱PIV技术的原理是什么？开普勒多光谱PIV技术利用了光的波长来对流体中的粒子进行特征分析。

在传统的PIV技术中，通过使用单一波长的激光束照射进入流场，然后使用高速相机拍摄两张连续的图像，从而获得两个时间点上的粒子图像。

然后使用计算机软件对这两幅图像进行处理，通过比较两幅图像上的粒子位置变化来计算流场的速度信息。

而开普勒多光谱PIV技术则使用了多个波长的激光束。

这些激光束在不同的波长下入射到流场中，然后由高速相机拍摄多张连续的图像。

关键是利用激光的不同波长对流体中的粒子进行特征标记。

在计算机处理图像时，可以通过比较不同波长下的图像来分析粒子的浓度、颗粒直径和颗粒速度开普勒多光谱PIV技术的优势是什么？相比传统的PIV技术，开普勒多光谱PIV技术具有以下优势：1. 更高的数据质量和准确性：使用多个波长的激光束进行照射和图像捕捉，可以提供更多的数据信息，包括粒子的浓度、颗粒直径等。

这使得数据可靠性更高，能够提供更准确的速度测量。

2. 更广泛的应用范围：由于开普勒多光谱PIV技术提供了更多的数据信息，它在研究复杂流体流动，如多相流、湍流等方面具有更广泛的应用。

它可以用于研究许多领域，如航空航天、能源、环境等。

3. 更好的粒子轨迹跟踪：利用不同波长的激光束对颗粒进行特征标记，可以更好地跟踪颗粒的轨迹，从而提供更准确的测速数据。

这对于研究流体流动的品质分析和控制具有重要意义。

4. 更高的时间分辨率：由于开普勒多光谱PIV技术可以同时获得多张图像，所以它具有更高的时间分辨率。

PIV在＂工程流体力学＂教学中的应用研究

生来说，“ 程流体力学” 一门非常难学的课程。工是嘲压降，ａＰ；
Ｌ管长，；一尺园管内径，；一ｒ一过流断面上某点半径，ｍ；
一
随着科学技术的发展，体测量手段不断创新和发展，流目前先
“ 工程流体力学 ” 是力学的一个分支，主要研究流体本身的它
易于理解和掌握层流与紊流时流体速度矢量的特征。
１管中流体层流流动速度分布同
静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互
作用和流动的规律。“ 程流体力学 ” 各种学科中都起着非常重工在
学 ”的教学中，具体应用在圆管中流体层流和紊流轴向速度分布特
轴向速度，ｓｍｌ。
根据上式可知，圆管层流的速度分布为一关于管轴的旋转抛物面，为了让学生能够直观地理解此公式以及圆管中流体层流运动轴向速度分布，用激光粒子测速系统（Ｉ测量圆管中介质水做层利Ｐｇ）流流动时的示踪粒子图像，后进行互相关计算，用Ｔｅｌ可显然利ｅｐｏｔ示出圆管中介质为水时层流流动的轴向速度矢量分布，出如图１得所
进的激光粒子测速技术（Ｉ已经应用到流速测量的各个方面。ＰＶ）
粒子图像测速技术（Ｉ是一种全新的无扰、态、场速度测量ＰＶ）瞬全方法，以非接触性测量从低速到超声速范围内的流体瞬时速度可场。不仅能够显示流体流场、动的物理形态，它流而且能够提供瞬时全场流动的定量信息。突破了ＬＶ间单点测量的局限性，其Ｄ空实现了全场瞬态、无扰测量，也可求得流场的其他物理量。口】本文将先进的激光粒子测速技术（Ｉ应用到 “ 程流体力ＰＶ）工

PIV测试技术及其应用

PIV测试技术及其应用一、确定文章类型本文将介绍一种重要的测试技术——PIV（Particle Image Velocimetry）测试技术，并阐述其在不同领域中的应用。

本文为技术应用类文章。

二、关键词收集 PIV测试技术、粒子图像、速度场测量、流体力学、实验研究、工程应用三、文献综述 PIV测试技术是一种用于测量速度场分布和流体流动特性的测试技术。

自20世纪80年代问世以来，PIV测试技术已经经历了漫长的发展历程，并广泛应用于流体力学、能源、环保、化工等领域。

在流体力学领域，PIV测试技术被广泛应用于流体流动特性的研究。

通过PIV测试技术，研究人员可以获得流场中粒子的运动轨迹，进而得到流体的速度场分布、湍流度、流线等信息。

这些信息对于流体力学理论的发展和工程应用具有重要意义。

在能源领域，PIV测试技术也被广泛应用于燃烧室、喷嘴等高速喷射系统的流动特性研究中。

通过PIV测试技术，研究人员可以获得燃烧室内的速度场分布、湍流度等信息，为燃烧设备的优化设计和性能提升提供依据。

在环保领域，PIV测试技术被应用于大气污染物的扩散和迁移研究。

通过PIV测试技术，研究人员可以获得大气中颗粒物和污染物的速度场分布和扩散路径，为环保政策的制定提供科学依据。

在化工领域，PIV测试技术被应用于化学反应和混合过程的研究。

通过PIV测试技术，研究人员可以获得反应器内流体的速度场分布和混合状态等信息，为化工工艺的优化提供指导。

四、分析问题本文将重点分析PIV测试技术的实现方法、优缺点及其在不同领域中的应用。

同时，本文将探讨PIV测试技术的发展趋势，并针对实际应用案例进行分析和讨论。

五、方法介绍 PIV测试技术的实现方法主要包括以下几个步骤：1、准备测试设备：包括PIV系统硬件和软件、激光器、显微镜、同步器等。

2、制作示踪粒子：选择适当的粒子作为示踪粒子，并将其悬浮在待测流体中。

3、拍摄粒子图像：通过显微镜和数字相机拍摄示踪粒子的图像，并传输到计算机中。