PIV数字图像测试技术及在中间包水模实验中的应用

1、PIV 数字图像测试技术及在中间包水模实验中的应用 丁丽华 张晓光 赵 亮 张海明(鞍钢股份技术中心,鞍山 114001摘 要 介绍了数字粒子图像测速技术 PIV 系统的组成及工作原理, 并进行了水模型应用测试及实验印证, 分析了 中间包内流场的流动特点,预期了 PIV 技术在冶金流场测量应用方面的发展方向。关键词 PIV 水模 中间包 流场Application of PIV Digital Image Testing Technology in Tundish Water Model ExperimentDing Lihua Zhang Xiaoguang Zhao Liang Zhang

2、 Haiming(Technology Center of Angang Steel Co. , Ltd., Anshan, 114001Abstract Introduce components and working principal of digital image testing technology PIV system, and take out water model experiment to conform. Analyze the flow field in tundish, anticipate the development of the application of

3、 PIV in metallurgy flow field test.Key words PIV , water model, tundish, flow field1 引言PIV 技术是 20世纪 80年代末发展起来的一种非接触式瞬态速度测量技术, 突破了单点测量的限制, 可 同时获得流场内多点流体或粒子速度矢量。中间包内流场模拟除利用 CFD 技术进行数值模拟外,在物理模 拟方面,利用 PIV 测速技术对其流场进行测试和图像显示分析也已在实验室得到应用,其多点成像、无扰 动流场测试特点正逐渐代替传统的单点流速测量仪器。本文对中间包内 PIV 流场测速水模实验应用进行了分析和体验,以期为相关

4、研究人员提供参考。 2 PIV 数字图像测试技术2.1 V测速技术特点粒子图像测速技术 (P 是在流体中投放示踪粒子,用摄像机或者照相机摄取随流体运动的粒子图像来 测量流体速度的一种方法。其技术特点为:(1 由于它以非接触方式测量流体的瞬时速度场, 测量装置对流体的干扰几乎可以不计, 因此测量结果 精度高。(2 它可以将整个流场成像并将流场的全部速度矢量进行细致的描述, 因此人们可以获得对整个流场的 全面认识,这一特点是其他流体测量技术不可比拟的。PIV 数字图像测试技术及在中间包水模实验中的应用它采用脉冲激光光源作为照明,使用球面镜和柱面镜等光学元件把激光束转变为很薄 (约 l 2mm 厚

5、的 片光, 脉动照亮指定流场, 两脉冲之间的时间可以基于被测流场的特征进行调整。 在与片光源相垂直的方向 上配置 CCD 或照相机摄录下流场层片中流动粒子图像,然后利用数据采集卡把图像数字化送入计算机,应 用自相关或互相关原理进行图像处理,获得流场的速度信息。2.2 PIV系统组成PIV 粒子图像分析系统(以下简称为 PIV 由硬件及软件两部分组成(见图 1 。硬件系统配置包括:照明激光器、同步控制器、高速数字相机、图像采集板和计算机;软件系统包括:集成化的粒子图像测速系统, 粒子图像跟踪测速系统, 浓度场分析系统, 粒子粒径分析系统和数字相机控制 系统。 图 1 PIV硬件系统组成2.3 P

6、IV测速技术原理PIV 的基本原理为测量两帧图像的位移 x 和 y ,如图 2所示。 图 2 PIV测速基本原理利用成像设备记录下时间间隔为 t 的两帧图像,测量两帧图像中同一粒子的位移,最后得出速度信息。 位移要求足够小,使得尘 x /t 是速度 u 的很好的近似,就是说粒子运动轨迹必须接近直线,并且沿着轨迹 的速度应该近似恒定。3 PIV 系统在中间包水模研究中的应用利用 PIV 测速技术,在中间包底部布置气幕挡墙的水模实验中进行了应用。采用气幕挡墙装置,在中间包底部某截面通以惰性气体,在中间包整个宽度范围内形成一惰性气体幕, 使钢水向上运动,更多的夹杂物上浮到钢水的表面被渣吸收,从而进一

7、步提高钢水中的夹杂物去除的效率。本水模试验就是通过安排中间包底部吹气方式、位置,结合 PIV 系统进行水模型优化试验研究,促进 夹杂物充分上浮, 其测试得出的钢中粒子速度场、 涡量场等参数分析对中间包整个流场的定量分析提供了重 要依据。3.1 水力模型的建立试验模型采用有机玻璃制成,模型比例 1:2,模型流程简图见图 3。 图 3 中间包水模试验装置简图1中间包; 2湍流器; 3气幕装置; 4电导电极; 5浸入式水口;6转子流量计; 7水泵; 8 PIV ; 9示踪剂加入; 10钢包; 11长水口 中间包中钢液的流动一般可视为黏性不可压缩稳态等温流动。 模拟实验选用水作为介质。 根据相似原理,

8、 保证与重力有关的弗劳德数相等,即 Fr m =Frs ,得出以下关系式:流速 u m /us =k1/2;流量比 Q m /Qs =k5/2;时间比 t m /ts =k1/2 。式中,下标 m 、 s 表示模型、原型; k 表示比例常数(k=1/2 。在中间包底吹气实验中, 流体的流动受到重力、 惯性力和浮力的影响, 所以要考虑气体密度以及液体密 度的影响,因此模型与原型之间吹气量的相似转换应该考虑修正弗劳德准数就能够保证其动力的相似。即:(m s Fr Fr ' ' =,则: 22g g l l s m u u = (1得出关系式如下: 22441.621.62g g l

9、 l s m Q Q d gl d gl = (2PIV 数字图像测试技术及在中间包水模实验中的应用式中 Q m 模型气体体积流量, m 3/h1; Q s 原型气体体积流量, m 3/h1;(g m 、 (g s 模型、原型的气体密度, kg/m3;(l m 、 (l s 模型、原型的液体密度, kg/m3;d m 、 d s模型、原型气孔直径, m 。 因为实验中气孔直径与中间包尺寸采用同一比例,所以可得出模型与原型之间吹气量的关系为: 125( ( ( ( g s m l m s g m l s Q k Q = (33.2 PIV流场测试水模实验采用 2D-PIV 系统,其数字相机分辨率

10、 4000×2672(11M; 12bit ; 5帧 /s,电子快门曝光时间间 隔 20ms ,脉冲激光器能量 500mJ ,选用 50mm 镜头拍摄方式,最大拍摄区域约为 1000mm×800mm。中间包内加入示踪粒子 (510um , 激光片光源 (片光厚度小于 1mm 对中间包进行双脉冲照射 (见 图 4 ,通过高速相机捕捉随流体流动的粒子,由专用软件进行图像处理和分析(见图 5 。中间包内应用 PIV 进行流场测试分析结果见图 6、图 7。 图 4 PIV测试场景 图 5 PIV测试图像分析 图 6 中包出口处速度场分析 图 7 中包出口处二维截面流线结果 从图 6

11、测试结果可看出,在注流量 5.2m 3/h,底吹位置 600mm ,气量 0.16m 3/h情况下,中间包出口处流 体平均流速 0.02m/s,液面最大流速在底吹气液面附近,可达 0.08m/s(换算成实际 0.11m/s ,图 7测试结果 显示, 在斜坡与出口上方形成多个旋涡相互交错的粒子流动迹线, 表明气幕挡墙对流体流动确实起到了向上引导的作用。 图 8 中间包流场流动状态由图 8所示的试验过程录像观察, 在气体的吹入位置, 形成了气泡幕, 气泡和钢液之间的剪切力改变了 钢液的流动方向,在气幕墙的两侧分别形成了两个方向相反的回流区。回流区的涡心位置靠近中间包底部, 增加了钢液的混合程度, 有利于夹杂物的碰撞长大。在靠近液面处, 钢液的速度较小,不易引起表面卷渣现 象。4 结论(1 PIV 数字图像测速技术可满足一定区域流体视场多点流速测定,对流场的物理模拟提供了非接触、 精确的测试手段。(2采用 PIV 进行气幕挡墙优化的测试分析,直观、定量地得出了中间包内粒子速度场分布、方向和 大小,对液面流动,夹杂物上浮及旋涡的形成进行了准确的分析。(3传统的水模实验录像结