粒子图像测速仪.ppt

1、粒子图像测速系统（PIV） TSI Fluid Mechanics Team,Copyright 2006 TSI Incorporated,PIV 简介,PIV技术可以提供 为流体动力学研究提供独特的视角, 提供流动特性的空间结构信息 TSI 研发并提供了如下系统 V3V体测量技术 2008 多相流PIV处理技术 2007 GP 算法使颗粒粒径信息可以从PIV图像中分离出来 2006 GP 算法使 最高分辨率的PIV分析成为可能 2006 本征正交分解（POD） PIV 数据分析2006 Hyperstreaming 系统2006 本征正交分解（POD） PIV数据分析 2005 2MP,

2、4MP 相机的像素组合功能 2005 GSV 系统 单相机实现粒径和速度的同时测量 2005 POWERVIEW 11M 11 M 相机 2005 同时 PIV/PLIF 测量系统 2004 全场喷射诊断系统 2004 INSIGHT3G: 基于.Net 平台设计软件 2004 INSIGHT 6 软件平台 2004 第二代PIV专用CCD相机 (4MP & 2MP) 2004 HIFR PIV 系统 2003 采用专利技术设计的MicroPIV 系统 2003 第一个采用独特的 为PIV技术设计的2Kx1K PIV 数字化CCD 2002 第一个采用独特的 为PIV技术设计的2Kx2K PI

3、V 数字化CCD 2001 第一套超级PIV系统 2000 第一套商用优化PIV系统 1998 第一套商用系统1988 技术上的快速更新 相机, 计算机, .,Copyright 2006 TSI Incorporated,PIV - 原理,t - 两个脉冲激光的时间间隔 x X方向颗粒位移 y Y方向颗粒位移,A点颗粒速度 ux = x/t 当 t 0 uy = y/t 当 t 0,流动平面,激光片光源,x,y,Copyright 2006 TSI Incorporated,相关运算,颗粒位移,诊断区域,互相关运算结果,速度场,互相关,第一帧,第二帧,诊断区域,Copyright 2006

4、TSI Incorporated,POWERVIEWTM PIV 系统,二维系统,三维系统,Copyright 2006 TSI Incorporated,PIV 系统连接,成像子系统 脉冲激光器 光臂 片光源 图像拍摄子系统 CCD相机 图像采集板 同步器 实验辅助系统 示踪粒子添加系统 远程遥控系统 立体标定系统及其底座 处理软件 提供采集、分析、处理和显示PIV结果 Tecplot流场显示软件,Copyright 2006 TSI Incorporated,系统连接原理图,外部触发,激光控制,相机,图像卡,触发颗粒发生装置,计算机,Copyright 2006 TSI Incorpora

5、ted,激光器,（Nd:YAG）双脉冲激光器 工作温度540度，1090湿度 内循环冷却水采用去离子水作为冷却水，3个月更换 长途搬运前，先排干冷却水,Copyright 2006 TSI Incorporated,脉冲激光器安全,200mJ/pulse, 3-5ns脉宽 对应于瞬时功率最高: 200mJ/5ns=4*107W 禁止在激光光路上观察激光 实验时，戴激光保护眼镜 实验人员运行激光器时，注意提醒其他人员 防止激光穿过门、窗,Copyright 2006 TSI Incorporated,脉冲激光能量 和 Q开关 延时之间的关系,Q开关延时 (微秒),脉冲能量 最大能量的百分数,50

6、,100,150,200,250,300,100%,80%,60%,40%,20%,0%,Copyright 2006 TSI Incorporated,CCD相机,CCD相机是一个高敏感的元件 工作温度-5度40度，1080湿度要求 防止强光对于CCD的损坏 在实验中，避免出现大面积的过曝光 拆卸相机截圈时，注意防止光线直接进入CCD,Copyright 2006 TSI Incorporated,TSI POWERVIEW Plus 系列相机的独特功能,标准相机 基于普通光照下的图像拍摄设计 (无激光) POWERVIEW Plus 系列相机 基于激光照明下图像拍摄设计 独特的保护罩设计

7、POWERVIEW Plus 系列相机的保护罩 并不是对CCD阵列的遮挡 是对相机电子线路的保护 防止强光照射下对CCD中电子线路的损坏,Camera Circuitry,CCD 阵列,Copyright 2006 TSI Incorporated,PIV系统中的相机远程控制系统,远程 Scheimpflug调节控制 远程调焦 远程光圈调节 使用环境 水下测量, 大型风洞 需要远距离控制CCD拍摄的场合,Copyright 2006 TSI Incorporated,光臂,高能激光束全封闭传递 YAG激光器最高能量输出可达500mJ/脉冲 标准长度 - 1.8 米,Copyright 2006

8、 TSI Incorporated,激光片光源,紧凑透镜组合设计 采用柱透镜和球透镜的组合 提供片光源厚度和扩展角度的控制,Copyright 2006 TSI Incorporated,同步器,610036型号：同步精度0.25ns 控制激光器、CCD相机的工作时序 适合PIV，PLIF实验 外触发功能：可用于条件采样、周期性流场、锁相测量,Copyright 2006 TSI Incorporated,工作时序,帧 1,帧 2,相机曝光,最短跨帧时间,激光脉冲,脉冲 1,脉冲 2,t,延迟时间,脉冲间隔时间,Copyright 2006 TSI Incorporated,外部触发,使得PI

9、V测量可以在特定的时刻进行 基于同步器接收到的外部触发信号 实验触发同步器 (注时序控制) 同步器触发激光器和CCD并开始图像拍摄的工作 需要一个可以被精确触发的CCD相机 同步器可以在一个指定的时间延迟后触发激光器,轴编码信号,时间延迟,相机触发,震荡或周期流动,相机触发,阀门打开,延迟时间,外触发锁相功能,同步器610036具备外触发锁相以及外部门控信号控制功能，例如：测试搅拌槽流场,这个功能对于研究搅拌槽内流场非常重要，可有效的避免拟湍流现象。在搅拌槽内，特别是桨叶排出流区附近，旋转的桨叶会引起较强的周期性运动，采用外触发锁相功能得到的湍流数据中将包含桨叶的周期性运动分量，即拟湍流成份。

10、,Copyright 2006 TSI Incorporated,Copyright 2006 TSI Incorporated,示踪粒子的选择和添加，,选择示踪粒子的原则： 1.跟随性：粒径越小，比重越小，跟随性越好 2.散射光强度：粒径越大，强度越大 3.实验现场条件 水中实验：812um的比重约比水大的粒子 空气实验：15um油滴、水滴、固体颗粒 燃烧实验：氧化钛，氧化铁，氧化硅等耐高温粒子，13um 高速实验：0.3-1um固体、液态粒子，尽可能高的反射率（可在表面涂层），配高能量的激光器,Insight 4G,功能强大、完整、精确的图像采集，分析与显示软件包 Win7- 64bit

11、计算机操作系统 内存可扩展至 128 GB 简单易用，功能稳定 处理速度快 Turbo 编码提高数据处理速度 以太网分布式处理方式 不同实验的宏命令批处理方式 可跟踪每步的处理进展 流水线型文件结构 所有硬件的完全控制 内嵌TecPlot软件包 动态链接MATLAB,Copyright 2006 TSI Incorporated,INSIGHT 4G 独特功能,软件包可用于： PIV MicroPIV 高帧率 PIV PLIF 超高分辨率PIV (SRPV) PIV/PLIF同时测量 立体 PIV 射流分析及流动模式分析,Copyright 2006 TSI Incorporated,INSI

12、GHT 4G,采用了最为前沿和先进的处理技术和软件包设计 独特性 5项专利技术 于研究人员协作开发了独特的分析方案和技术实现路线 Hart 相关 专利技术 更高的分辨率 MSWA (Meinhart, Santiago, Wereley, Adrian) 算法 专利技术 微流动, 背景消除, 相关平均 Rohaly- Hart 分析 专利技术 加快处理速度，优化处理方法 GW 算法 and 改进 GW算法 大速度梯度流动, 高剪切流动 窗口平移, 变形网格, 二阶插值 PM 分析算法 专利技术的应用 结合了颗粒跟踪和粒径分析 GP 算法 专利技术的应用 在同样的图像中获得最大的空间分辨率,Co

13、pyright 2006 TSI Incorporated,目录树结构及引导,直觉的继承式文件系统 鼠标拖拽即可实现 打开文档及分析文件内容 鼠标右键敲击可以设置 当前运行实验设置 或删除、修改或重排目录中的文件,Copyright 2006 TSI Incorporated,交互式图形界面时间参数设置,动态链接到用户的设定值 可以直观检验跨帧PIV中每一个脉冲激光的有效性 检验延迟及门限时间参数的有效性,具有放大显示功能 具有外触发设定功能,Copyright 2006 TSI Incorporated,可视化宏编辑,可以在完全的图像模式下自动的进行图像的拍摄, 条件处理, 分析, 及有效性

14、检验 用鼠标的“拖”“拽”就可完成编辑过程 不需要进行任何程序的编写！,Copyright 2006 TSI Incorporated,图像分析: 感兴趣区域的划分,矩形, 直线, 或任意多边形区域 选择的区域可以是不连续的 可以通过鼠标拖拽选择区域，也可以直接输入坐标值 在感兴趣的区域内进行统计分析 可以作为其他结果的区域模版，也可以作为处理网格 直线区域可以直接给出砸直线上的灰度分布 即可以采用原始图像的灰度显示，也可以采用标量场分析结果来显示,Copyright 2006 TSI Incorporated,伪彩显示LUT功能,用户可以使用自己的伪彩方案或利用软件中已有的方案 伪彩或用户定

15、义的灰度级显示 线性或对数放大显示 用户可以自行调整显示关系 用户可自行选择过曝光像素的显示颜色,Copyright 2006 TSI Incorporated,更多的PIV数据的拍摄采集处理功能,数据处理引擎包含 FFT, 超级 FFT, 直接相关, Hart 相关 以及 Rohaly-Hart方案 Rohaly-Hart 方案可以加速处理过程且优化处理效果 递规处理方案由以下算法组成 窗口平移, 变形网格, 二阶差值 及集合平均相关 二阶差值函数 在线交互式处理，对矢量的有效性判断可以进行批处理 在线图像拍摄, 矢量分析及数据有效性检验以优化实验参数,Copyright 2006 TSI

16、Incorporated,Rohaly - Hart 分析,Prof. Hart专利性工作的扩展 (MIT) 特点 从图像中处理出更多的速度矢量 可以得到用传统的方法根本无法得到的流场细节 处理途径 从最小的空间分辨率开始处理 如果没有得到矢量或得到的结果无效则 用周围的图像增加相关的分析的数据来源 强大的系统功能 INSIGHT 3G 软件包的一部分,Copyright 2006 TSI Incorporated,超高分辨率 从一群颗粒的分析到单个颗粒的分析 采用了独特的处理方案 得到了最高分辨率的结果 尽可能高分辨率的速度场处理结果 从单个颗粒的速度还原到流场网格上的速度值 得到详细的统计

17、特性,颗粒速度的超高分辨率分析结果,Copyright 2006 TSI Incorporated,基于每个颗粒的分析,基于网格的速度处理结果,颗粒速度的超高分辨率分析结果,Copyright 2006 TSI Incorporated,粒径分布,粒径和速度,Copyright 2006 TSI Incorporated,POD 分析结果显示,图形显示 不同模式对总能量的贡献 相对能量的水平 POD 模式的函数,Copyright 2006 TSI Incorporated,本征正交分解（POD） 给出每一模式对流动的贡献,旋涡流动,Copyright 2006 TSI Incorporate

18、d,2D PIV标定,二维标定方式得到实际长度和CCD 像素之间的关系（放大率）； 如果不经过标定过程，则得到的速度 结果为像素/秒（Pixel/s）； 标定得到Pixel-mm之间的关系； 换算得到mm/s的真实速度值；,PIV二维标定,Copyright 2006 TSI Incorporated,三维标定得到实际长度和CCD像素之间的关系（放大率、变形、两个CCD的同一点像素对应关系）,PIV三维标定,立体PIV CCD布置图（Scheimpflg条件）,物面 (片光源平面),镜头物理平面,CCD成像面,拍摄区域,(聚焦区域),片光源透镜组,Copyright 2006 TSI Inco

19、rporated,由于相机倾斜产生的透视效果,流场中的网格,左相机拍摄的网格图像,右相机拍摄的网格图像,Copyright 2006 TSI Incorporated,获得映射函数 标定,用长方形的矩形点阵网格作为标定平面 平面上包含很多点组成的矩阵 双面双边 (DPDS) 靶盘 由TSI公司引入 无需坐标架 在标定靶盘的两边分别由很多点组成的点阵，这些点分布在同一边的不同面上 标定靶盘的网格定义和实际的空间坐标系统 将标定靶盘与片光调整重合,双面双边标定靶盘,Copyright 2006 TSI Incorporated,独特功能 INSIGHT 4G 分析软件包中的内置功能,可以直接获得映

20、射函数 不用标定靶盘 (仅通过相机的参数尺寸及摆放位置) 在内流场测量标定中的作用 在没有边壁的情况下产生映射函数 然后再加入边壁的影响 用标定靶盘进行标定修正 (立体自标定) 可自动修正由于靶盘和激光片光平面不重合带来的误差,Copyright 2006 TSI Incorporated,三维标定的目标分解分析,PIV三维标定,（x,y,z）,片光源 （标定靶理想位置）,（XL,YL）,（XR,YR）,左CCD,右CCD,片光源 （标定靶理想位置）,（XL,YL）,左CCD,（XR,YR）,右CCD,CCD布置方式一,CCD布置方式二,Copyright 2006 TSI Incorpora

21、ted,Rushton 透平,瞬时三维速度场的测量结果 w=100 rpm,University of Illinois 伊利诺伊大学 D. F. Hill, K. V. Sharp, R. J. Adrian,Copyright 2006 TSI Incorporated,集成化立体PIV系统 水下应用,不对称布置,Copyright 2006 TSI Incorporated,Axial velocity field at x = 0.59R,Cross flow at x = 0.59R,意大利国立造船实验研究所 (INSEAN),水下推进器的流场测量 近场尾迹: 轴向速度场,Copyr

22、ight 2006 TSI Incorporated,水下推进器的流场测量 尾迹的发展: 湍流流场,X = 0.76 R,X = 1.85 R,X = 0.59 R,X = 0.59 R,意大利国立造船实验研究所 (INSEAN),Copyright 2006 TSI Incorporated,火箭点火过程 点火时序的测量,Balakumar & Adrian University of Illinois 伊利诺伊大学,Copyright 2006 TSI Incorporated,火箭点火过程 全场流动测量结果 (t = 1.2s时15个测量结果的总体相关平均结果 ),Balakumar &

23、 Adrian University of Illinois 伊利诺伊大学,Copyright 2006 TSI Incorporated,超音速流动的PIV测量,Courtesy: ISL,Supersonic flow PIV measurements,umax 1400 m/sec,V- component,U - component,Supersonic flow PIV measurements,西北工业大学 液滴PIV实验,Copyright 2006 TSI Incorporated,江苏大学 离心泵PIV实验,Copyright 2006 TSI Incorporated,离心

24、泵三维PIV测试结果,Copyright 2006 TSI Incorporated,南航3马赫超音速喷嘴PIV实验,Copyright 2006 TSI Incorporated,MicroPIV系统,Copyright 2006 TSI Incorporated,Copyright 2006 TSI Incorporated,带荧光过滤光学模块 的显微镜,计算机 (后处理),激光,显微物镜,过滤单元,扩束镜,12 bit CCD 相机 (2048 x 2048 pixels),焦平面,发射光 532 nm,发射光,模型 隔离片,速度矢量,荧光颗粒,脉冲绿色激光 (532 nm) 照亮流动区

25、域以及其中的颗粒. 颗粒吸收后散射荧光, 荧光的波长与照射激光不同 相机仅接收散射的荧光，即颗粒 图像经过后处理后得到速度矢量场,Copyright 2006 TSI Incorporated,微流动测量的过程细节,流动入口,流动出口,Copyright 2006 TSI Incorporated,微流动通道,Copyright 2006 TSI Incorporated,Micro PIV 涉及的问题,用荧光颗粒发出的荧光屏蔽掉壁面的散射光即 过滤掉入射的激光造成的所有散射光 为适应微小的测量环境，示踪颗粒必须足够小 过于微小的颗粒布朗运动效应会比较强烈 体光源照射而不用片光源. 会造成不在

26、焦距平面上的颗粒成像 减少背景光影响 由于被测量管道很小而且颗粒浓度不高 即使在低速流动中也需要较小的脉冲宽度以及较小的双脉冲间隔 需要脉冲激光,Courtesy: R. J. Adrian,Copyright 2006 TSI Incorporated,背景消除技术,带背景的图像,背景,Copyright 2006 TSI Incorporated,消除背景后的图象,Flow around a bubble,Copyright 2006 TSI Incorporated,微流动测量举例,扩张微通道中的流动,Image field,Vector field,Copyright 2006 TSI

27、 Incorporated,PLIF 系统,激光片光照亮一个流场平面 片光照亮区域内流场中的目标元素吸收激光发射频率的光, 把该元素原子激发到更高的能态 高能态原子不稳定，在衰减到低能态过程中放出光子 CCD阵列接收到这个放射出的光子 形成的数字化图像经过分析处理得到元素种类,Copyright 2006 TSI Incorporated,常用示踪颗粒方案,在流动中测量元素的荧光强度 水流 常用荧光染料测量浓度和温度（或pH值） 可以被YAG激光器激发 气流 酮 (丙酮 或 3-戊酮) 常用来被 YAG激光器的266 nm 或 355 nm 波长的光激发 可以使温度和浓度测量定量化 燃烧问题

28、酮用来跟踪燃料分布, 或者可以利用燃料本身的荧光 燃烧组分和化学反应的中间产物 (例如 OH, NO, CO, CO2, NH, CH, 等等),Copyright 2006 TSI Incorporated,PIV-PLIF 同时测量 选择最佳的相机组合,PIV和PLIF分别使用 不同的相机,PIV和PIV使用相同的相机 (POWERVIEW Plus 4MP),Copyright 2006 TSI Incorporated,温度测量 PIV 和 PLIF 结果,Copyright 2006 TSI Incorporated,PLIF 测量 射流混合 浓度场,图示射流混合过程中的浓度场变化 (AA截面的灰度变化),上海大学PLIF实验,测量温度场的罗丹明B，测量浓度场的罗丹明6G,Copyright 2006 TSI Incorporated,喷雾诊断系统(Spray Analysis),Copyright 2006 TSI Incorporated,Copyright 2006 TSI Incorporated,水平射流分析,将激光片光源布置成水平方向