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粒子图像测速技术（PIV）

1．PIV简介

粒子图像测速技术(PIV)作为一种全新的无扰、瞬态、全场速度测量方法，在流体力学及空气动力学研究领域具有极高的学术意义和实用价值。

粒子图像测速技术（PIV）是一种用多次摄像以记录流场中粒子的位置，并分析摄得的图像，从而测出流动速度的方法。PIV是流场显示技术的新发展。它是在传统流动显示技术基础上, 利用图形图像处理技术发展起来的一种新的流动测量技术。综合了单点测量技术和显示测量技术的优点, 克服了两种测量技术的弱点而成的, 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。

图1. 粒子图像测速技术

2．PIV的原理

PIV技术原理简单，就是在流场中撤入示踪粒子，以粒子速度代表其所在流场内相应位置处流体的运动速度．应用强光(片形光束)照射流场中的一个测试平面，用成像的方法(照像或摄像)记录下2次或多次曝光的粒子位置，用图像分析技术得到各点粒子的位移，由此位移和曝光的时间间隔便可得到流场中各点的流速矢量，并计算出其他运动参量(包括流场速度矢量图、速度分量图、流线图、漩度图等)。因采用的记录设备不同, 又分别称FPIV ( 用胶片作记录) 和数字式图像测速DPIV（用CCD相机作记录)。

3．PIV系统组成

PIV系统通常由三部分组成, 每一部分的要求都相当严格。

图2. 粒子图像测速系统结构

（1）直接反映流场流动的示踪粒子。除要满足一般要求( 无毒、无腐蚀、无磨蚀、化学性质稳定、清洁等) 外,还要满足流动跟随性和散光性等要求。要使粒子的流动跟随性好, 就需要粒子的直径较小, 但这会使粒子的散光性降低,不易于成像。因此在选取粒子时需综合考虑各个因素。总之, 粒子选取的原则为: 粒子的密度尽量等于流体的密度,粒子的直径要在保证散射光强的条件下尽可能的小, 一般为拜m 量级。常用的示踪粒子有聚苯乙烯、铝、镁、二氧化钦、玻璃球等。柴油机汽缸内气流运动实验研究中, 最常使用的示踪粒子有二氧化钦、铝粉等。在实际实验中, 它们的光散射性不错, 可拍摄到清晰的图像, 但由于其直径和密度太大, 导致其跟随性很差, 不能真实反映缸内气流的实际运动。此外, 固体颗粒进入缸内后有时会粘附在石英玻璃窗口上, 由于光线无法穿过不透明的固体颗粒, 使粒子成像亮度受到影响。并且固体颗粒一般硬度较大, 可能会造成气缸内壁和石英玻璃窗口的磨损。因此只能定期的拆除气缸盖,擦拭窗口, 这会增加许多工作量。

在实验研究中, 还必须考虑粒子浓度问题。当浓度很大时, 粒子像会重叠在一起, 由于激光为干涉光, 所以在底片上会形成激光散斑而不是独立的粒子像。虽然用激光散斑同样可以测取散斑场的位移, 但对于流场而言, 由于散斑场的稳定性较差, 提取散斑场的位移相对地比较困难。当粒子浓度太低时, 粒子对的数目可能太少, 结果将得不到足够多点的流速,也就得不到足够准确的流速分布。PI V 技术中粒子浓度一般为10左右( 在查询区域内)，这样使每个查询区中都有足够的粒子对, 能够得到有效的速度结果。

（2）成像系统。双脉冲激光片光源、透镜和照相机构成PIV的成像系统。用于照射动态微粒场的片光源由脉冲激光通过透镜形成, 拍摄粒子场照片的相机垂直于片光。曝光脉冲要尽可能的短, 曝光间隔即左能够随流场速度及其分

辨率的不同而进行调节(一般为微秒至毫秒量级) 。片光要尽可能的薄( l mm以下) , 片光的厚度控制对于二维的PIV来说非常重要，太厚就把三维的速度压入二维, 也就不能如实反应流场的二维分布。曝光时间和曝光能量是一对矛盾。为了把有限的光能量都用于曝光，PIV系统一般采用双脉冲激光器作为光源。

一般水中曝光脉冲能量在几十毫焦耳就可以得到理想的曝光图像, 在空气中则要求更高。

（3）图像处理系统。图像处理系统用于完成从两次曝光的粒子图像中提取速度场。将粒子图像分成若干查询区(同一小区内的粒子假定有相同的移动速度, 并且作直线运动; 此外, 查询区内的最大粒子位移不能超过查询区的1/4;在片光厚度方向的位移不能超过片光厚度的114;平面位移要大于两倍粒子图像直径)，

在查询光束的作用下, 利用杨氏条纹法或自相关法逐个处理查询区，得到粒子的移动速度,进而得到速度场分布。在早期的PW 技术中, 由于两次曝光图像被记录在同一幅胶片上, 所以速度的流向存在180。的方向不确定性( 方向二义性)，为得到速度方向, 需要一套复杂的系统。可使用粒子图像预偏置方法或双色PIV 技术来处理方向二义性问题110)。由于PIV查询系统及其图像处理系统较为复杂, 仪器调节、胶片处理以及数据处理等往往要花费较多的时间, 所以随着数字成像系统及其数字图像处理技术的发展，FP IV技术正在被DPIV技术所代替。

4．PIV分类

4．1 按其成像介质

PIV按其成像介质可分为基于模拟介质的GPIV(graphic particle image velocimetry)和基于CCD的DPIV(digital particle image velocimetry)。

GPIV是用照相采集的方法将序列图像记录在胶片或录像带上，然后用光学方法或扫描仪形成数字图像，实现自相关模板匹配运动估值．其优点是模拟介

质分辨率高(如普通135底片包含有10 500×7 500个像素，这样一张100mm×125mm的肖像底片将会有30000x37500个像素，普通摄像管所能提供的

分辨率约为500×500个像素，较高分辨率的摄像管也不过做到4096x4096个像素)，可以观测较大的视场，且精度高，图像捕获速度快，可以测量高速流场(马广云，申功圻HJ)但是，由于其成像后的处理时间长，因而无法实现在线应用，成为其不可克服的缺陷．同时由于GPIV一般将2次或多次曝光成像在同一底片上(单帧

多曝光图像)，在图像分析上有速度矢量方向二义性问题，虽已有解决方法，但

处理较复杂。

图3. 用于柴油机喷雾测试的DPIV系统简图

DPIV系统实际上是PIV系统的数字化形式，它强调用数字方法来记录视频图像而不是摄影胶片，DPIV所有的分析都用计算机来进行，代替了GPIV的复

杂的光学系统，不需再做胶片的湿处理，同时DPIV将2次或多次曝光的粒子由CCD-Camera经数字图像采集设备采得该截面的序列图像(单帧单曝光图像而非GPIV的单帧多曝光图像)，自然解决了速度方向的二义性问题．DPIV的决定性优点在于便于数字处理，能提供实验参数的在线调整，使得它成为PIV的重要

发展方向。

4．2 按粒子密度分

PIV源于固体应变位移测量的散斑技术，首先将这一技术从原理及方法上

引入流场测速中当首推Adrain，他将PIV技术按照示踪粒子的浓度分为激光散斑测速技术(1aser speckle velocimetry，LSV)，粒子图像测速仪(particle image velocimetry，PⅣ)以及粒子跟踪测速仪(particle tracking velocimetry, PTV)三类。

当流场中粒子浓度极低时，我们有可能识别、跟踪单个粒子的运动，从记录的粒子图像中测得单个粒子的位移，这种低粒子图像密度模式的测速方法即为PTV技术；当流场中粒子浓度很高时，以至于用相干光照明时，粒子衍射图像在成像系统像面上互相干涉形成激光散斑图案(散斑已经掩盖了真实的粒子图像)，这种极高粒子图像密度模式的测速方法即为LSV技术；PIV技术是指选择

粒子浓度使其成为较高成像密度模式，但并未在成像系统像面上形成散斑图案，而仍然是真实的粒子图像(或单个的粒子衍射图像)，此时这些粒子已无法单独

识别，底片判读只能获得一判读小区域(interrogation area)中多个粒子位移的统计平均值．目前，LSV技术己很少采用，这是因为高粒子浓度对流场干扰较大，