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第7章 粒子图像测速技术（PIV）,7.1 PIV系统的构成7.2 PIV测速原理7.3 PIV的应用研究7.4 Micro PIV7.5 PLIF,实验流体力学,Particle Image Velocimetry,PIV,LDV,单点时间序列测量.,平面瞬时场测量,比较两种激光测量技术：,1.脉冲激光器发出的激光通过由球面镜和柱面镜组成的片光源镜头组，形成光片照亮流场中一薄层；,2.在与光片垂直的方向，CCD相机摄下在流场这个层面中跟随流体一起运动的粒子的多次曝光图像；,3.将数字化图像送入计算机，利用自相关或互相关原理处理，得到流场中的速度分布。,PIV（Particle Image Velocimetry）即“粒子图像速度场仪”。,7.1 PIV系统的构成,PIV测速原理：,一、照明系统：激光器、片光元件。二、成像系统：激光脉冲同步器、CCD摄像机。 三、分析系统：帧图像接收器（像机接口板）和 图像分析软件及计算机。,在流场中播撒粒子照明流场形成片光采集多次曝光图象成象分析得速度矢量图,PIV系统组件: （1）双脉冲激光器；（2）片光元件；（3）CCD像机；（4）同步控制器； （5）帧采集卡；（6）计算机 ； （7）光片； （8）播撒粒子流体。,Light Source,Pulse,Duration,(m sec),Pulse,Separation,(m sec),Energy/,Pulse,(,mJ),Repetition,Rate,(/sec),YAG,0.004 to,0.020,selectable,10 to 400,15,Ar-ion,50,500,0.1 to 1.0,2000,Ruby,0.025,1.0,1000,0.01,Cu vapor,0.01,50,5,20 k,一、照明系统：,激光器类型：,10 mJ - 400 mJ per pulse4 ns - 20 ns pulse duration冻结粒子图像脉冲间隔时间t 范围测速从mm/s 到超声速10 - 30 Hz 脉冲重复率532 nm 波长 (倍频),激光电源和遥控盒：,Nd:YAG 激光器：,两束光的光斑应重叠（必要时打开激光头盖子， 调整反射镜角度使光斑尽量重合）。,冷却循环水系统（去离子水）保证YAG棒温度 开盖自锁，防激光伤害。,1064nm波长辐射经倍频器发射光波长532nm 单脉冲能量12mJ、宽度10ns 脉冲间隔可调，重复频率达15Hz,Nd:YAG棒在热补偿共振腔内由闪光灯驱动,双脉冲Nd:YAG激光器（NEW WAVE公司）：,双通道激光器的激光头和片光元件组合：,能量 Q-switch 延时,同步器：协调系统各部分的工作。,外触发,激光控制,相机,相机接口,播撒触发,计算机,二、成像系统：,激光脉冲同步器：1 TTL相机触发；2 相机快门；3 帧采集触发；4 视频输入；5 外部触发输入；6 脉冲监视器；7 闪光灯（#1红）8 Q-开关（#1蓝）；9 闪光灯（#2绿）；10 Q-开关（#2棕）；11 外部装置输出（触发“Run Laser”，停止“Stop”）；12 相机12V直流1；13 相机12V直流2；14 输入A；15 输出B；16 输出C；17 输出D；18 开关；19 电源线接口；20 选电源电压,CCD像机、镜头及接口：1、2 分别为电源和输出状态指示灯；3 连接帧接收器（计算机内模数转换卡）；4 连接同步器。,帧图像接收器（像机接口板）;图像分析软件及计算机,三、分析系统：,PIV Measurements in Supersonic Flow：,umax 1400 m/sec,V- component,U - component,7.2 PIV测速原理,两类速度计： 1.粒子图像速度计； 2.激光斑速度计。,特征参数： 1.图像场内每单位体积内散射粒子的浓度平均数C； 2.流场的尺度。,1.激光斑模式（LSV）：,一、PIV系统的工作模式：,2.粒子示踪模式（PTV）：,3.高图像密度模式（PIV）：,低图像密度PIV,高图像密度PIV,这种模式，流体中散射粒子的浓度非常大，粒子图像重叠，产生随机干涉现象（激光斑，Dainty 1975）。通过测量光斑的位移来测速度。,这种模式，流体中散射粒子的浓度足够小，通过拍摄孤立的粒子轨迹来测量位移。,这种模式，流体中粒子的浓度介于LSV和PTV之间。图像场中每个查询窗包含很多图像，但不重叠。,多帧技术：对帧间隔为Tf的周期速度场采样。,多帧/单脉冲 ： t只能等于Tf整数倍 （高速相机产生的帧数有限）,低图像密度PIV：,单帧技术：条纹照相法（粒子在光片中长时间曝光）。,特点是查询单元中平均粒子数很小。,单帧/多脉冲： 曝光间隔t与速度采样间隔Tf无关（根据速度选择t，并满足空间分辨率的要求）。,一般采用的流体测速技术高图像密度PIV：,由于粒子浓度较高，每个查询窗中包含多幅粒子图像。（图像数目很大，难以跟踪单个粒子）,将流场图像分成很多查询窗；测量局部速度就是通过一个查询窗的数字化图像处理来进行的。对矢量场的测量则是在查询窗网格中重复这一步骤来实现的。,例，单帧双脉冲曝光：,单帧双脉冲曝光：,粒子对图像 杨氏条纹图 自相关图,例：垂直射流11mm2查询窗图像（图像密度大约为N20 ）,A 低垂直速度D 高垂直速度G 射流剪切层J 照片一角透镜扭曲,PIV技术之一：单帧多脉冲查询技术直接自相关,单帧技术带来方向不确定的问题,如何解决方向任意性问题图像漂移技术：,位移场,速度场,图像漂移技术：,PIV技术之二：双帧双脉冲查询技术互相关：,速度测量的确定性程度：,10ns,脉冲激光,二、一种图像处理算法：,基于互相关技术的图像处理算法：,根据灰度值区分粒子和背景像素（灰度值为i 的像素数为ni）,阈值：使分布函数2B（T）达到最大 的T 值。,iT 的像素为粒子像素，连续的粒子像素构成一个粒子,1.图像粒子的标定：,粒子识别后的两幅双脉冲成像图,连续两个时刻的原始粒子图像,、为粒子像素灰度值；n、m为两幅图像粒子像素数。,2.连续两幅图像中粒子的对应：,参考粒子和候补粒子对应两区域（查询窗）的相关系数，式中： 、为粒子像素灰度值； n、m为两幅图像粒子像素数。,相关系数最大值对应的候补粒子为参考粒子自身，两区域之间的距离是粒子的位移。,PIV互相关法误差： （1）.系统误差： 不同介质折射率产生背景噪声误差。 （2）.方法误差： 连续两幅图像之间的时间间隔和最大流速限制。,3.粒子速度的确定：,通过增加信噪比的方法能有效减少误判断粒子数量，提高测量可信度。,4.误对应粒子速度的判断及其消除：,增加信噪比的方法：,1）尽可能采用大粒径粒子；,2）照明光与接收光的方向成最佳角度；,3）尽可能减少背景光反射强度；,4）采用大功率激光；,5）图像处理过滤方法，将背景噪声减少到最低限度。,由于PIV测量的查询窗不能太大，其两幅图像间隔时间的限制为（R为查询窗尺寸）：,当时间间隔t较小时，互相关法适应性较好。,当测量范围和时间间隔都已确定时，则流体的流速有限制，不能超出一定的范围。,5图像时间间隔和最大速度限制：,1.在整幅图像上划分网格，每个格子作为一个查询窗。,2.第一幅图像中选择一个查询窗，用查询窗中的粒子图像与第二幅图像中各个格子的粒子图像作互相关。,3.相关系数最大的表示两个格子中的粒子为同一些粒子。,双帧双脉冲PIV图像处理的一般方法：,4.两个格子的距离即查询窗中的粒子移动的平均距离，查询窗的数目就是速度矢量的数目。,三、跨帧时序：,PIV 相机跨帧时序：,7.3 PIV的应用研究,PIV应用研究泥沙沉积,PIV应用研究火焰结构,PIV应用研究火焰结构,PIV应用研究内燃机,PIV应用研究内燃机,PIV应用研究内燃机,PIV应用研究定常射流,原始图像速度矢量场PIV应用研究空腔流,PIV应用研究模拟心脏流动,PIV应用研究旋转机械流动,平均速度场 Z=1,锁相PIV测量PIV应用研究旋转机械流动,平均速度场 Z=10,PIV应用研究旋转机械流动,PIV应用研究旋转机械流动,Courtesy: CNRS,PIV应用研究微重力燃烧测量,图像场速度场PIV应用研究微重力燃烧测量,2D-PIV,2D-PIV,3D-PIV,3D-PIV,3D-PIV,三维PIV应用研究旋转空气流,三维PIV应用研究旋转空气流,微流动PIV测量装置：,7.4 Micro PIV,Micro PIV的特点：,1） Micro PIV 系统采用体照明，亦即对整个流场进行照明。,2）播撒于流体中的粒子为荧光染色粒子，采用荧光诱导方式成像。,Micro PIV的具体做法：,1）用扩散开的激光光源整体照明流场，而播撒于流体中的粒子为荧光染色粒子。激光照明的结果是流体中的荧光物质受到激发，因而发出荧光。,2）散于流体中的荧光粒子吸收某个波长的照明光，散射较大波长的荧光。利用分色镜和截断滤色镜除去照明光及其反射光，只有发出的荧光到达CCD感光区。,3）这些荧光经透镜聚焦后成像，然后再对图象进行PIV的相关分析得到速度场。,4）另外，诱导光还有一个特性是：当入射光强达到一定强度后，诱导出的荧光强度不再增加。这样即使光强比较大的情况，CCD感受的荧光强度也不会对它造成损伤。,5）MicroPIV只能靠相机镜头的景深确定图像的位置。,6）精确测量要求显微镜有高倍数放大率，并且要求显微镜系统稳定不受震动干扰。,微流动PIV布置 Meinhart（2000）使用PIV技术测量喷墨头喷出墨滴的瞬态流动过程,喷墨打印头的微流动：,微流动PIV测量系统,生物芯片微流动PIV,PLIF （平面激光诱导荧光）和 PIV 的相似处：都采用激光光片确定测量区域，并用精密CCD相机收集散射/发射光。,7.5 PLIF,PLIF 和PIV 的差别：,常用的荧光物质： 罗丹明B、罗丹明6G、荧光素钠、丙酮、 吡啶、香豆素、萘等,速度/温度测量实验：,Rhodamine B 荧光染料用于PLIF 温度测量。镀银播撒球粒子用于PIV 测量。,TSI的PIV系统可以同时测量温度场、 浓度场和速度场。,例 温度测量正面视图：,PIV/PLIF 同步测量：,顶视,使用INSIGHT 3G 软件 PIV 和 PLIF 结果：,PLIF 测量射流混合：,图示射流浓度变化(AA断面强度曲线),PLIF 测量射流混合-浓度,PLIF 测量射流混合- 浓度：,等值面图显示射流浓度变化从图顶部射入 (最大Y处).,PIV-PLIF 测量垂直射流与横向射流混合：,浓度等值线,PIV-PLIF 同步测量：,垂直射流与横向射流混合,1对低湍流度流体的测量精度的影响程度：,（1）LDV测量跟随粒子大小具有分散性，速度的分散性带来附加湍流度。（水中0.5%2%，气体中更严重）,（2）热线探针热传导的效应综合在一起，统计结果湍流度偏小。,（3）热线风速仪的模拟电压输出经过低通滤波器，可能降低湍流度。,（4）PIV技术在空间点上测量到的速度数据少，可能不足以对湍流量进行统计分析。,比较三种湍流测量仪器：,2非牛顿流体流场的测量应当选用不接触测量：,3在空间狭小的流场中采用LDV有优势。,5重复性好的旋转流场宜采用LDV。,4非定常流场测量时应选PIV。,若采用热线流速仪测量，将碰到没有适用的探针校正器（粘度大）。另外，探针的热敏元件受热后使液体产生气泡，因而一般只能利用LDV或PIV进行非接触测量。,比如：叶轮式搅拌器中水的流动是十分复杂的，它既是三维流动，又有大量的旋涡，湍流度很大，稳定性很差。,测量实践证明，LDV不能抓住整个流场的瞬态变化的流动状况，它必须在空间一点一点往前测。而局部的小旋涡位置是不固定的，经过数据的统计平均后被掩盖掉了。,对此，PIV技术能发挥出它的优势，每一时刻的流况可以立即被捕获，反映效果很好。,超声波测速：,超声探头：,习题7-1 选取6464像素的查询窗，相邻查询窗重叠1/2。要求粒子位移不超过1/4个查询窗。问：10242048像素的图像最多可以得到多少个速度矢量？若图像场中一个像素对应的尺寸为16 m16m，粒子最大可能移动速度为25.6m/s。设置脉冲间隔时间为多少？,习题7-2 说明双帧双脉冲PIV测量系统在一个采样周期 的工作时序。,