热工测量课件第06章 流速测量3-（PIV）.ppt

第6章流速测量测压管与测速技术热线热膜风速仪激光多普勒测速技术粒子图像测速技术第6.4节粒子图象测速技术(PIV)n概念利用粒子的成像来测量流体速度的这一类技术，均可称为粒子图象测速技术粒子图象测速技术分类源密度n源密度定义式中 C-粒子浓度Z0-片光源厚度M- 照相机的放大率de- 底片上粒子像的直径n源密度的物理意义在一个与粒子等直径、高为片光源厚度Z0的圆柱体体积内所包含的粒子数n源密度用来区分散斑测速模式和粒子像测速模式Ns1，表示这个像是由一个粒子生成的像；Ns1:像会重叠，像平面上形成散斑模式；Ns1时，由于粒子像较多，不可能跟随每个粒子来求它的位移，只能采用统计方法来处理即PIV技术n当NIl时，由于成像密度极低，因而在诊断区内不能使用统计处理的方法，而应跟随每个粒子求它的位移量，所以就整场而言，速度测量是随机的，即PTV技术PIV(ParticleImageVelocimetry)nPIV用于测量二维平面整个速度场上的速度矢量一个速度矢量可用一根箭头来表示，其中箭头的大小表示流动速度的大小，箭头的方向表示该点流动速度的方向metry comb. 构成名词，表示“测量学、度量学”Velocimeter:速度计,速度表Velocimetry:测速PIV的特点n瞬态流场测试n对于燃烧火焰、自然对流等典型的瞬态流场。

单点测量不可能达到测量的目的n流动空间结构n在同一时刻记录下整个信息场才能看到空间结构n只有通过诸如PIV技术才可能获得流动中的小尺度结构的图像n某些稳定流场的测试需要n稳定流动指的就是脉动速度与平均速度相比很小的流动n比如狭窄流场，其流动本身是稳定的，但由于流场狭小，激光多普勒测速(LDV)的分光束难以相交成可测状态，而热线风速计(HWFA)又会破坏流场的状态 6.4.1.粒子图象测速原理 1.PIV系统的组成n成像系统n光源系统n流场装置n示踪粒子投放系统n光学系统n分析显示系统(1)光源系统在粒子图象测速系统中需要脉冲片光源n双脉冲红宝石激光器波长699nm,脉冲宽度25ns，脉冲能量110J，脉冲间隔1s1ms；n脉冲光能量大；n脉冲间隔小，不适用于低速测量；n不能连续产生脉冲光nYag激光器（脉冲铱-铷石榴石激光器）波长532nm,脉冲宽度15ns，脉冲能量0.2J，脉冲间隔1s0.1s；n一般采用两台Yag激光器,用外部同步装置分别触发；n脉冲间隔调整范围大，小可实现从低速到高速流动的测量连续光源调制成脉冲光源（氩离子激光器）a)光斩波器n采用码盘，或其它电控元件将连续光变成脉冲光。

脉冲宽度和脉冲间隔由开孔的直径和码盘的转速来决定转速越快，脉冲能量越小n大部分能量浪费了，只利用了t/t，而t又不能太大，否则会使像点模糊n扫描光屏n激光光束经高速旋转的n面镜反射形成一个扫描光屏，当转镜的一面扫过流场时，粒子散射光形成第一次像，紧接着第二个面扫过流场时又形成第二次像这样逐次下去粒子就像被脉冲光源照射一样调整转镜转速可改变脉冲间隔，具有灵活性此方法的关键问题：转镜旋转时的平稳性和镜面的平行度2)片光光学系统n片光是由柱面镜和球面镜联合产生n准直了的光束通过柱面镜后在一个方向内发散，同时球面镜用于控制片光的厚度典型的片光在光腰处的厚度的数量级在mmmn光纤片光源n光纤片光源在选择流动中所希望的照明区域上具有灵活性，但是光纤片光源仅仅运用于功率小于5w（或1ms脉冲的5nJ）的氩离子激光器3)记录系统n记录系统一般采用照相机和CCD摄像机n照相机:n一张135底片相当于36002400像素或115207680像素n适合于高分辨率和宽的动态响应的流场测量nCCD摄像机:n10241024，20482048，40964096像素n逐渐取代照相机n对于三维测量，需要采用立体摄影或全息摄影技术(4)分析显示系统n显示系统的目的：通过对图像的数据处理得到速度分布n该方法的特点:显示系统不是跟踪某一个粒子,而是在一个小区内（诊断点）进行统计处理。

n对于高像密度的PIV来说，在每一个诊断点内n像密度至少使Ni1020；n像点直径约在1025m；n诊断点直径小于几mm；n粒子位移可以从10m到mm量级诊断处理方法分类n光学方法n测量干涉条纹的间距和方向n数字图像法n傅立叶变换法n直接空间相关法n粒子像间距概率统计法傅立叶变换法诊断点的图像G(I,J)可以看成第一个脉冲光形成的图像g1(I,J)和第二脉冲光形成图像g2(I,J)相叠加的结果 G(I,J )=g1(I,J )+g1(I +x,J +y)(1)离散的傅立叶变换式为 (2)将(1)式带入(2)式, 并利用傅立叶变换的平移特性, 得(3)式中, f(u,v)是g1(I,J)的傅立叶变换对(3)式求模 对(3)式再进行一次傅立叶变换, 并利用平移特性得G(x,y)=g(x-x,y-y)+2g(x,y)+g(x+x,y+y)式中, G和g分别为F(u,v)和f(u,v)的傅立叶变换nG在(0,0)点，(x,y)点和（-x,-y)点分别有一个最大灰度值和两个次大灰度值因此提取粒子位移的问题就归结为在图像G中寻找最大灰度和次大灰度之间的距离x, y二次FFT(G)后的灰度图像一次FFT(F(u,v)后的灰度图像直接空间相关法整理后,得到R(m,n)=Ri(m-x,n-y)+2Ri(m,n)+Ri(m+x,n+y)相关函数在原点有一个最大峰值，在（x,y）和（-x,-y）处有两个次峰值。

由于流动只可能是一个方向，最大峰值和次峰值距离就是粒子位移量（x,y）粒子像间距概率统计法假设粒子运动是均匀的, 在粒子像的间距中，间距等于粒子位移量的概率呈最大值P(d)|d=D = Max式中 P(d) - 粒子像间距的概率分布D - 粒子的位移量 6.4.2.粒子图象测速的信号处理图像采集和处理系统摄像机输出的视频信号进入图像采集卡，经锁像、采样(采样频率为10MHz)及A/D转换，可将一幅画面实时数字化成5125128bit的灰度图像数据处理目前可采用阵列处理器，运算二次FFT只需23秒粒子图像测速诊断系统的软件设计软件包括诊断最大和次大灰度值的程序和后处理程序后处理程序包括速度场、脉动速度场、涡量场和雷诺应力场图像分析算法n自相关分析自相关分析要进行二次二维快速傅里叶变换(FFT)变换，查问区内的图像G(x,y)被认为是第一个脉冲光所形成的图像g1(x,y)和第二个脉冲光所形成的图像g2(x,y)相叠加的结果n互相关分析互相关分析要进行3次二维傅里叶变换在查问区内，假设粒子的位移是均匀的则第二个脉冲光形成的图像可视为第一个脉冲光形成的图像经过平移后得到的互相关分析的优点空间分辨率高。

由于相关图像用的是两帧粒子图像，粒子浓度可以比自相关更浓，可用更小的查问区来获得更多的有效粒子对查问区的偏移量允许有更多的有效粒子对不需要像移装置两帧图像的先后顺序已知，不须附加的装置就可判断粒子运动方向信噪比不同由于自相关分析采用单帧多脉冲法拍摄的图像对背景噪声也进行了叠加，因此其信噪比较差，而互相关采用多帧单脉冲法来拍摄图像从而减少了背景噪声的相关峰值，提高了信噪比测量范围不同由于自相关存在有粒子同一脉冲图像自身相关而得到的0级峰，其粒子位移是0级峰与+1级峰的形心之间的距离，因此两峰之间的距离不能太短以免两峰重叠不能分辨，而将+2级峰当作+1级峰造成错误测量而互相关一般只有一个最高峰，容易才找测量精度不同由于自相关必须定位两个高峰的形心，而互相关只要求定位一个高峰的形心，因此互相关的精度容易保证互相关分析的不足计算量很大，需要3次二维互相关；可测量的最大速度受捕获硬件的限制时间分辨率受到限制实际PIV系统的组成实际的PIV系统StereoscopicPIVnThestereoscopicPIVtechniqueusesapairofdigitalcamerastoextractthein-planecomponentsofvelocityinthelightsheetaswellastheout-of-planecomponent.Apairofdigitalcamerasisusedforthispurpose.AphotographofourStereoscopicPIVsystemisshownbelow.StereoscopicPIVStereoscopicPIV 从喷嘴到自由水射流之间的相互作用（6）实例6.4.3方向模糊性当观察PIV照片时，第一和第二个粒子图像看起来是一样的。

存在着180度的方向模糊解决方案有n互相关方法，用多幅单曝光，在相继两幅图像I1(S)和I2(S)之间求互相关量R(S)=I1(X)I2(X+S)dx这样就消除了双曝光中反向的相关量n在单幅双曝光图像中采用像位移的方法来消除方向模糊在第一次曝光以后的第二次曝光时，像的位移加上一个位置的偏移量偏移量加得合适，就可以使反方向的运动位移都转到正方向当诊断出相关量的峰值位置后，再减去偏移量，就可以分辨出流场的正反两个方向的速度值旋转镜法产生像位移6.4.4示踪粒子的选择对示踪粒子的要求可归结为对粒子的跟随性和适当的颗粒浓度的要求n1粒子的跟随性n从粒子的跟随性要求来看，粒子必须有足够小的粒径，以便能够跟随流体运动；n从得到良好的图像信号的要求来看，粒子还必须有足够大的粒径，以便产生足够的散射信号2光散射和信噪比n粒子尺寸、折射指数和粒子形状等因素会影响光散射的能力通常激光功率越高，散射信号越强，在其他条件相同的情况下，信噪比也越大n研究表明信噪比和颗粒直径近似地成正比关系，所以颗粒直径越大，信噪比也越大但当信噪比值增加到一定值以后，这种关系就发生改变n粒子的形状也会影响信噪比值正常的信噪比计算都是假定粒子是球形的。

非球形粒子可以由定义一个等效直径来考虑粒子材料的折射指数对信号质量的影响n相对折射指数被定义为相对折射指数粒子折射指数/介质折射指数相对折射指数等于1，表示粒子相对于介质是透明的，这种粒子不能用作散射体在实用上我们常常选用具有较高相对折射指数的材料作示踪粒子这在物理上可以被解释为表面磨光的情形，粒子表面越光亮，获得较好散射信号的可能性越大表6-3列出了常用材料的折射指数n常用的粒子:TiO2,Al2O3,硅油粒子3颗粒浓度n实践表明，每个查问区内多于10个粒子对是确保测量正确位移值的必要保证n但是粒子对也不能太多，否则图像就会重叠，从而形成散斑6.4.5取得好结果的5条重要准则n为了对流场照片的诊断获得最好的结果，就必须认真仔细地选择诊断系统的若干参数它们是：粒子播种密度、粒径、激光脉冲之间的时间、片光源的高度和厚度、诊断光斑的大小以及图像漂移的大小等等这些参数中大多数是又相关联的就是说改变义中的一个将会影响其中的另一个n根据理论分析和大量的实践经验，选择上述参数时应该遵循以下准则：n单个诊断点上的速度变化率诊断光斑应该足够小，使得单个矢量能够充分地描述该区域的流动状态此要求实际上对单个诊断点上的速度变化率提出了限制条件。

示踪粒子浓度为了获得较高的有效数据率，每个诊断光斑内的粒子对应该多于10对这个要求实际上是对实验时的示踪粒子浓度提出限制条件因为光斑内粒子对的数目取决于示踪粒子的浓度、诊断光斑的大小和激光脉冲之间的时间间隔n光斑中粒子对的百分比n最大的粒子位移应该是诊断光斑大小的25这个要求的主要目的是提高光斑中粒子对的百分比当粒子图像位移增加时，诊断光斑内只有一个粒子图像的概率就会增加，光斑中粒子对的百分比就会减少粒子移位对诊断光斑尺寸的比，可以由改变诊断光斑尺寸，使用图像漂移或改变激光脉冲之间的时间所控制n粒子对的损耗n在垂直测量平面(片光平面)方向上的位移应小于片光源厚度的25这个参数是由于当只有一个粒子对图像在片光源之内时，粒子对的损耗所决定的为了控制这个参数，可以调节片光源的厚度或激光脉冲之间的时间间隔粒子图像。