粒子图象测试技术下.ppt

1,粒子图象测试技术(PIV),2,利用粒子的成象来测量流体速度的这一类方法均可称为粒子图象测速技术。随着近代各种飞行器和舰船设计水平的不断发展，对流场测试实验技术也提出了越来越高的要求，传统的单点测量技术（皮托管、热线风速仪以及多普勒测速）已经不能满足各种试验的要求，而流动显示技术也只能定性的显示流场结构，这就要求有突破传统手段的测试技术粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry 简称PIV）。,1.概述,3,PIV技术结合了当今最先进的激光技术、计算机技术以及数字图像处理技术，可以测量一个瞬时流场空间截面内各个点的速度，得到整个流动结构的定量化数据，为不同的实验分析提供全新、丰富、可靠的试验依据。PIV技术可广泛应用于包括水洞、风洞、发动机、管道、河流等各种水和空气中的试验测试，测量速度范围从接近于零到超音速流场。目前在国防、科研、民用测试研究等方面发挥着重要的作用，而且逐渐成为近代标准的测试设备,4,其分类如下：,5,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源密度的物理意义为：在像平面上的一个粒子像斑返回到物理平面上和片光源相交的一个圆柱体体积内所包含的粒子数。源密度用来区分散斑测速模式和粒子像测速模式。像密度定义 式中dI-诊断点（或查问单元）的直径像密度的物理意义为：在一个诊断面积内有多少粒子像（或像对）。像密度用来区分粒子迹线法和粒子图像测速方法。,6,PIV的定义,PIV(Particle Image Velocimetry)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PIV的重要特点可在同一时刻记录下整个信息场的有关信息能提供流动的丰富的空间结构可以冻结某一时刻的流动状态，从而揭示出隐藏着的湍流流动结构,7,2.粒子图象测速原理,一个典型的PIV系统包括光源系统、所研究的流场装置、示踪粒子的投放系统、接收和记录粒子散射光的光学系统、信息处理系统,8,(1)光源系统在粒子图象测速系统中需要脉冲片光源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脉冲光能量大；不能连续产生脉冲光Yag激光器波长532nm,脉冲宽度15ns脉冲能量0.2J脉冲间隔1s0.1s可实现从低速到高速流动的测量一般采用两台Yag激光器,用外同步装置分别触发,9,应用光斩波器将连续光源变成脉冲光源,一般采用码盘，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。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。,10,采用扫描光屏来得到片光源,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。转镜旋转时的平稳性和镜面的平行度是此方法的关键问题。,11,(2)流场中添加粒子粒子要能跟随流体的运动，粒子的形状要接近于球形。粒子的折射率和介质的折射率之比在散射光中是一个重要的参数。常用的粒子:TiO2,Al2O3,硅油粒子。选择粒子浓度要考虑使源密度和像密度达到较高值。(3)记录系统记录系统一般采用照相机和摄像机照相机:一张135底片.相当于36002400,11520 7680像素适合于高分辨率和宽的动态响应的流场测量CCD摄像机:1024 1024像素适合于低分辨率和低精度的流场测量,12,(4)粒子图像测速的诊断方法该方法的特点在于它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。对于高像密度的PIV来说，在每一个诊断点内像密度至少使Nl 1020，像点直径大约在1025m，诊断点直径小于几毫米，粒子位移可以从10 m到毫米量级。,13,14,诊断处理方法可分为：,光学方法测量干涉条纹的间距和方向。PIV的基本原理是测量图像的位移X,y,使t小到可以与受精度约束的拉格朗日速度场的泰勒微尺度比较的程度。数字图像技术傅立叶变换法直接空间相关法粒子像间距概率统计法,15,16,17,