实验流体力学7课件

1、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 第7章 粒子图像测速技术（PIV）7.1 PIV系统PIVLDV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：PIVLDV单点时间序列测量.平面瞬时场测量比较两种激光测量 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

2、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： 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一、照明系统：激光器、片光元件。在流场中播撒粒子 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

3、）帧采集卡；（6）计算机 ； （7）光片； （8）播撒粒子流体。 PIV系统组件: （1）双脉冲激光器；（2）片光元件；Light SourcePulseDuration(m sec)PulseSeparation (m sec)Energy/Pulse(mJ)RepetitionRate(/sec)YAG0.004 to0.020selectable10 to 40015Ar-ion505000.1 to 1.02000Ruby0.0251.010000.01Cu vapor0.0150520 k一、照明系统：激光器类型：Light PulseDuration(m sec)Puls10 mJ

4、 - 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：10 mJ - 400 mJ per pulse激光电源和遥 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

5、腔内由闪光灯驱动双脉冲Nd:YAG激光器（NEW WAVE公司）： 两束光的光斑应重叠（必要时打开激光头盖子， 冷却循环水 双通道激光器的激光头和片光元件组合： 双通道激光器的激光头和片光元件组合：Q-Switch delay (microsec)Pulse energy - % of maximum50100150200250300100%80%60%40%20%0%能量 Q-switch 延时Q-Switch delay (microsec)Pulse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：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

6、播撒 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 激光脉冲同步器：1 TTL相机触发；2 相机快门；3 帧采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

7、步器。 CCD像机、镜头及接口：1、2 分别为电源和输出状态指示灯；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：帧图像接收器（像机接口板）;三、分析系统：PIV Measurements in Supersonic Flow：umax 1400 m/secV- componentU - componentPIV Measurements in Supersonict - 两脉冲间隔时间x - x 方向位移y - y 方向位移粒子A速度 ux = x/t as t 0 uy = y/t as t 0流动平面激光片xyA. .7.2 PIV测速原理t - 两脉冲间隔时间粒子A速度

8、流动平面激光片xyA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。两类速度计：特征参数：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

9、多图像，但不重叠。1.激光斑模式（LSV）：一、PIV系统的工作模式：2.粒子多帧技术：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）。 多帧技术：对帧间隔为Tf的周期速度场采样。多帧/单脉冲 ： 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

10、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：一般采用的流体测速技术高图像密度PIV： 由于粒子浓度单帧双脉冲曝光：粒子对图像 杨氏条纹图 自相关图单帧双脉冲曝光：粒子对图像 杨氏条纹图例：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 例：垂直射流11mm2查询窗图像A 低垂直速度Interrogation regionImagedisplacementAuto-correlationAutocorrelationVector field. . .

11、. Flow field Image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .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Interrogation ImageAuto-Autoco如何解决方向任意性问题图像漂移技术：C1 和 C2 是同一粒子两次激光脉冲生成的图?A1A2B2B1C1C2如何解决方向任意性问题图像漂移技术：C1 和 C2 是同位移场速度场图像漂移技术：位移场速度场图像漂移技术：粒子位移互相关帧 1帧 2查询区查询区互相关矢量

12、场PIV技术之二：双帧双脉冲查询技术互相关：粒子位移互相关帧 1帧 2查询区查询区互相关矢量场PIV技术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：速度测量的确定性程度：10ns脉冲激光二、一种图像处理算法 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： 根据灰度值区分粒子和背景像素（灰度值为i 的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 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

13、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：、为粒子像素灰度值；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。 参考粒子和候补粒子对应两区域（查询窗）的相关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：PIV互相关法误差：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

14、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。 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 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： 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 1.在整幅图像上划分网格，每个格子作

15、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。 1.在整幅图像上划分网格，每个格子作为一个查询窗。 帧 1帧 2相机曝光最小跨帧时间激光脉冲脉冲 1脉冲 2t脉冲延迟脉冲间隔三、跨帧时序：帧 1帧 2相机曝光最小跨帧时间激光脉冲脉冲 1脉冲 2t脉冲重复周期相机触发相机反馈相机曝光相机图输出脉冲延迟脉冲间隔图1输出图2输出图2曝光图1曝光激光脉冲PIV 相机跨

16、帧时序：脉冲重复周期相机触发相机反馈相机曝光相机图输出脉冲延迟脉冲间7.3 PIV的应用研究PIV应用研究泥沙沉积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应用研究模拟心脏流动measurementregionxyPIV应用研究旋转机械

17、流动measurementxyPIV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平均速度场 Z=1锁相PIV测量PIV应用研究旋转机械PIV应用研究旋转机械流动PIV应用研究旋转机械流动PIV应用研究旋转机械流动PIV应用研究旋转机械流动Courtesy: CNRSPIV应用研究微重力燃烧测量Courtesy: CNRSPIV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图像场速度场PIV应用研究微重力燃烧测量2D-PIV2D-PIV2D-PIV2D-PIV3D-PIV3D-PIV3D-PIV3D-PIV3D-PIV3D-P

18、IV三维PIV应用研究旋转空气流三维PIV应用研究旋转空气流三维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微流动PIV测量装置：7.4 Micro PIVMicro 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。Micro PIV的特点：1） Micro PIV 系统采用 2）散于流体中

19、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。 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 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。 5）MicroPIV只能靠相机镜头的景深确定图像的位

20、置微流动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微流动PIV布置喷墨打印头的微流动：喷墨打印头的微流动：微流动PIV测量系统 微流动PIV测量系统 生物芯片微流动PIV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 PLIFPLIF 和PIV 的差别：PLIFPIV播撒播撒试剂 - 吸收激光频率 - 在分子水平混合播撒粒子 - 反射 (散射) 激光 - 跟随流动物理过程荧光发射MIE 散射采集光线红移荧光弹性散射激光分析标定将像素强度与标量联系跨帧图像

21、的互相关得到速度场 PLIF （平面激光诱导荧光）和 PIV 的相似处：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。常用的荧光物质：速度/温度测量实验：Rhodamine B 例 温度测量正面视图：流动单元取图像区域例 温度测量正面视图：流动单元取图像区域PIV/PLIF 同步测量：PIVPLIF从PIV播撒粒子反射的激光从荧光染料发射顶视PIV/PLIF 同步测量：PIVPLIF从PIV播撒粒子

22、从使用INSIGHT 3G 软件 PIV 和 PLIF 结果：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)AAPLIF 测量射流混合：图示射流浓度变化AAPLIF 测量射流混合-浓度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).PLIF 测量射流混合- 浓度：等值面图显示射流浓度变化PIV-PLIF 测量垂直射流与横向射流混合：浓度等值线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