PIV粒子图像测速系统的基本原理

PIV，全名：Particle Image Velocimetry，简单来说是一种二维的方式显示速度矢量，使流体可视化的一种测量技术。该方法是七十年代末发展起来的一种瞬态、多点、无接触式的激光流体力学测速方法。近几十年来得到了不断完善与发展，PIV技术的特点是超出了单点测速技术（如CTA、LDA）的局限性，能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性。

粒子图像测速系统（PIV）技术简介

PIV流速测量范围为0.02~500.00m/s。在流体力学领域中，流场测量技术与流场理论研究相辅相成，共同推进本学科的前进与发展。但是该研究领域中湍流、涡流等复杂非定常流动的存在使得传统流场测量技术的单点测量，已经不能满足人们对流体流动认知的需求。这就需要新的流场测量技术，实现流场测量由单点向多点、平面向空间、稳态向瞬态、单相向多相发展。流场测量技术随着时代迅速发展，从20世纪初对湍流流动测量有开创性意义的热线热膜流速计（Hot Wire/Film Anemometer，HWFA）的出现。到20世纪60年代，激光多普勒测速仪（Laser Doppler Velocimetry，LDV）利用流场中粒子的Mie散射。

实现流场的无接触测量。再到20世纪80年代，粒子图像测速技术（Particle ImageVelocimetry，PIV）实现了点向面的流场测量。

PIV技术是一种瞬态、多点、无接触式的流体力学（水和空气）测速方法。可以在同一瞬时记录下大量空间上的速度矢量分布信息，并可以提供丰富的流场空间结构和流动特性。目前，PIV技术也是在不断的发展，从一个切面发展到一个容积空间、从平面二维速度矢量的二维切片发展到二维切片内三位速度矢量、从瞬间速度场的测量发展到一个连续时间过程内的速度场测量。

粒子图像测速系统（PIV）的基本原理

PIV技术的基本原理是在待测流场中布散示踪粒子，示踪粒子代表流场空间中相应的流体质点，粒子会随着流场运动而运动，使用相机来记录不同时刻下示踪粒子的位置信息，通过计算机的图像处理算法分析相机所拍摄的粒子图片，将示踪粒子的位置信息和时间信息转换为流场流动的速度矢量信息，进而分析出流场的流动结构、涡量场等流动特性。

1）示踪粒子：无论哪种形式的PIV技术，其速度的测量都依赖于布散在流场中的示踪粒子，若粒子有足够高的流动跟随性，示踪粒子的运动就能够真实地反映流场的运动状态。

所以，PIV技术中示踪粒子要求为：密度与待测流场相一致；有足够小的尺度；形状尽可能成球形且分布均匀；有较好的光散射效率。

（2）相机：理论上来说用手机的美颜相机也是可以滴，只是不能保证精度。用于科学研究的PIV试验中要选择专业级别的PIV相机，主要的性能参数就是帧数与分辨率，并且根据不同形式的PIV技术，对相机有不同的要求，主要分单帧相机和双帧相机。总而言之就是越贵的相机越好！

（3）相机拍摄示踪粒子运动：使用激光器照射流场，流场中示踪粒子被照亮，使用相机进行记录。

（4）图像处理算法：这一部分是PIV技术中软件系统的核心，将相机拍摄的粒子图像进行预处理、速度矢量分析处理、后处理得到所测量流场的流动信息。

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