12.粒子成像测速技术_PIV_

三、 PIV技术的基本原理
5. PIV系统参数选择 互相关PIV系统测量参数控制准则
NI>7，即每个查问域内的粒子对应该多于7对; 要求查问域内相对速度变化<12%;
此准则限制了图像的相对位移变化; 规定了粒子的最小像间距范围。
若能够保证上述参数，则全场可以达到小于1％的测量精度。
四、 PIV技术的应用
测量统计的尺寸决定了空间分辨率
最大的图象位移给出了空间分辨率
测量时间长，实验消耗大
测量时间短，实验消耗小
对于粒子的跟随性要求相同
三、 PIV技术的基本原理
三、 PIV技术的基本原理
1．示踪粒子 选择的标准是什么？ 散射特性好 跟随性好
三、 PIV技术的基本原理
2．光源：
双腔的Nd：YAG激光器
圆柱近尾迹研究
圆柱后1倍直径
圆柱后2倍直径
圆柱后1倍直径
圆柱后2倍直径
圆柱近尾迹瞬态场测量结果
四、 PIV技术的应用
超音喷流
超音喷流测量结果
四、 PIV技术的应用
超音喷流
来流总压4.0atm测量结果
四、 PIV技术的应用
超音喷流
来流总压3.5atm的瞬态场测量结果
四、 PIV技术的应用
超音喷流
《现代流体测试技术》
第九章 粒子成像测速技术
刘宝杰，于贤君
2015年6月15日
一、 引 言
速度的定义是什么？
能不能根据速度的定义直接测量速度？ 粒子图像测速技术： Particle Image Velocimetry 简称PIV
一、 引 言
Particle Image Velocimetry 简称PIV 系统构成：
杨氏条纹法自动判读系统示意图
图像处理 计算机
三、 PIV技术的基本原理
4．图像处理： 自相关(Auto-Correlation)方法
两次Fourier变换的结果
最大峰值和次大峰值 之间的距离即为粒子的 位移！
自相关第二次FFT变换
方向如何确定？ 有噪音后会是什么情况？
三、 PIV技术的基本原理
4．图像处理： 互相关（Cross-Correlation）方法
六、 SPIV技术的应用
压气机非定常流场测量
转子设计状态
转子近失速状态
六、 SPIV技术的应用
压气机非定常流场测量
静子设计状态
静子近失速状态
六、 SPIV技术的应用
压气机非定常流场测量
雷诺应力 设计状态
雷诺应力 近失速状态
压气机转子内流场
六、 SPIV技术的应用
压气机非定常流场测量
雷诺应力 设计状态
三、 PIV技术的基本原理
5. PIV系统参数选择 景深(DOF)
放大倍数
镜头的 f 数，和焦距以及光圈相关
激光波长
三、 PIV技术的基本原理
5. PIV系统参数选择 粒子的像尺寸(Image Size)
代表粒子几何图像直径； 记录底片介质颗粒的大小 光学系统衍射作用限制的光斑直径
直径小于10微米的粒子，其像直径主要取决于粒子的光学直径 直径大于50微米的粒子，其像直径主要取决于粒子的物理直径
雷诺应力 近失速状态
压气机转子内流场
六、 SPIV技术的应用
压气机非定常流场测量
雷诺应力
雷诺应力
压气机静子内流场
• 脉冲光，10ns • 能量高，50~1000mJ • 频率较低，10~30Hz
其它光源
为什么要用脉冲光？
三、 PIV技术的基本原理
3．图像记录 • 胶片式照相机 • 数码照相机（CCD,CMOS）
三、 PIV技术的基本原理
4．图像处理：
三、 PIV技术的基本原理
4．图像处理：
三、 PIV技术的基本原理
PIV只能测量激典型光的片PI光V原平理面图 内的速度分量。
一、 引 言
PIV 能干什么？
加力燃烧室火焰稳定器流场：
单
只
点
有
测
P
量
I
技
V
源自文库
术
技
都
术
能
能
做
做
到
到
一、 引 言
PIV 能干什么？ 是一种全场测量技术，能够获得非定常流动的瞬态速度场。 测量速度快，周期短，成本低。 是一种先进的流场诊断技术。
粒子位移判读误差
三、 PIV技术的基本原理
5. PIV系统参数选择
放大10倍
三、 PIV技术的基本原理
5. PIV系统参数选择 粒子位移判读精度分析:
9像素
4像素
三、 PIV技术的基本原理
5. PIV系统参数选择 空间分辨率 由片光厚度和查问域的尺寸的最大值决定
动态测量范围 动态范围=最大像间距/最小像间距
方向如何确定？ 有噪音后是什么情况？
互相关第三次FFT变换
三、 PIV技术的基本原理
4．图像处理：
自相关和互相关的对比 # 空间分辨率高； # 测量的动态范围大； # 查问域的偏移量允许有更多的有效粒子对； # 不需要像移装置。
三、 PIV技术的基本原理
5. PIV系统参数选择
测量精度
随机误差 加速度误差 速度梯度误差 系统误差 跟随性误差
1985年 1998年
PIV技术诞生 全数字化的PIV和SPIV已经商品化
二、 PIV技术的发展历史
PIV与LDV技术的比较：
LDV
PIV
时间序列的空间单点测量
在一个瞬时的空间多点测量
时间统计平均
瞬时速度场，由多个速度场平均 获得统计平均数据
由测量移动已知距离的时间来获得速度 测量已知时间内粒子位移来获得速度
4．图像处理：
三、 PIV技术的基本原理
4．图像处理：
三、 PIV技术的基本原理
4．图像处理：
PIV图像分析过程示意图
1. 杨式条纹法 2. 自相关方法 3. 互相关方法
三、 PIV技术的基本原理
4．图像处理：
杨氏条纹 观测平面
CCD摄像机
He－Ne激光器
L2 L1 二维扫描移动支架
PIV底片 三维扫描 移动支架 控制电机
来流总压3.5atm的瞬态场测量结果
五、 SPIV测量技术
Stereoscopic PIV 成像原理
平行成像方式
Scheimpflug成像方式
五、 SPIV测量技术
测速原理
三维速度合成的原理就是要找到物平面上粒子的空间位移与 两个CCD像平面上位移之间的对应关系。三维速度合成
六、 SPIV技术的应用
二、 PIV技术的发展历史
激光散斑测速技术 （固体力学 ）
七十年代末 八十年代初
层流、射流和对流 （流体力学 ）
从而建立了流体力学的激光散斑测速技术！
二、 PIV技术的发展历史
1984年：
Pickering & Halliwell Adrian
发现一般情况下添加的示踪粒子浓度不足以产生激光散斑！
压气机非定常流场测量
美国NASA的测量方案
本研究的测量方案
六、 SPIV技术的应用
压气机非定常流场测量
美国NASA的测量方案
本研究的测量方案
六、 SPIV技术的应用
压气机非定常流场测量
六、 SPIV技术的应用
压气机非定常流场测量
Layout of the measurement cross sections