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第九章粒子成像测速技术《现代流体测试技术》2015年6月15日刘宝杰，于贤君一、引言速度的定义是什么？能不能根据速度的定义直接测量速度？粒子图像测速技术：Particle Image Velocimetry简称PIV 一、引言Particle Image Velocimetry 简称PIV 典型的PIV原理图系统构成：PIV只能测量激光片光平面内的速度分量。一、引言PIV 能干什么？加力燃烧室火焰稳定器流场：单点测量技术都能做到只有PIV技术能做到一、引言PIV 能干什么？是一种全场测量技术，能够获得非定常流动的瞬态速度场。测量速度快，周期短，成本低。是一种先进的流场诊断技术。二、PIV技术的发展历史激光散斑测速技术（固体力学）层流、射流和对流（流体力学）七十年代末八十年代初从而建立了流体力学的激光散斑测速技术！二、PIV技术的发展历史发现一般情况下添加的示踪粒子浓度不足以产生激光散斑！1984年：Pickering & HalliwellAdrian PIV技术诞生1985年全数字化的PIV和SPIV已经商品化1998年二、PIV技术的发展历史PIV与LDV技术的比较：LDVPIV时间序列的空间单点测量在一个瞬时的空间多点测量时间统计平均瞬时速度场，由多个速度场平均获得统计平均数据由测量移动已知距离的时间来获得速度测量已知时间内粒子位移来获得速度测量统计的尺寸决定了空间分辨率最大的图象位移给出了空间分辨率测量时间长，实验消耗大测量时间短，实验消耗小对于粒子的跟随性要求相同三、PIV技术的基本原理三、PIV技术的基本原理1．示踪粒子散射特性好选择的标准是什么？跟随性好三、PIV技术的基本原理2．光源：双腔的Nd：YAG激光器•脉冲光，10ns•能量高，50~1000mJ•频率较低，10~30Hz其它光源为什么要用脉冲光？三、PIV技术的基本原理3．图像记录•胶片式照相机•数码照相机（CCD,CMOS）三、PIV技术的基本原理4．图像处理：三、PIV技术的基本原理4．图像处理：三、PIV技术的基本原理4．图像处理：三、PIV技术的基本原理4．图像处理：三、PIV技术的基本原理1.杨式条纹法2.自相关方法3.互相关方法PIV图像分析过程示意图4．图像处理：三、PIV技术的基本原理4．图像处理：He－Ne激光器杨氏条纹观测平面CCD摄像机L1L2二维扫描移动支架三维扫描移动支架控制电机图像处理计算机PIV底片杨氏条纹法自动判读系统示意图三、PIV技术的基本原理4．图像处理：自相关(Auto-Correlation)方法两次Fourier变换的结果最大峰值和次大峰值之间的距离即为粒子的位移！自相关第二次FFT变换方向如何确定？有噪音后会是什么情况？三、PIV技术的基本原理互相关第三次FFT变换4．图像处理：互相关（Cross-Correlation）方法方向如何确定？有噪音后是什么情况？三、PIV技术的基本原理4．图像处理：自相关和互相关的对比#空间分辨率高；#测量的动态范围大；#查问域的偏移量允许有更多的有效粒子对；#不需要像移装置。三、PIV技术的基本原理测量精度随机误差加速度误差速度梯度误差系统误差跟随性误差粒子位移判读误差5.PIV系统参数选择三、PIV技术的基本原理5.PIV系统参数选择放大10倍三、PIV技术的基本原理5.PIV系统参数选择粒子位移判读精度分析:9像素4像素三、PIV技术的基本原理5.PIV系统参数选择空间分辨率由片光厚度和查问域的尺寸的最大值决定动态测量范围动态范围=最大像间距/最小像间距三、PIV技术的基本原理5.PIV系统参数选择景深(DOF)放大倍数镜头的f 数，和焦距以及光圈相关激光波长三、PIV技术的基本原理5.PIV系统参数选择粒子的像尺寸(Image Size) 代表粒子几何图像直径；记录底片介质颗粒的大小光学系统衍射作用限制的光斑直径直径小于10微米的粒子，其像直径主要取决于粒子的光学直径直径大于50微米的粒子，其像直径主要取决于粒子的物理直径三、PIV技术的基本原理5.PIV系统参数选择互相关PIV系统测量参数控制准则NI7，即每个查问域内的粒子对应该多于7对;要求查问域内相对速度变化12%; 此准则限制了图像的相对位移变化; 规定了粒子的最小像间距范围。若能够保证上述参数，则全场可以达到小于1％的测量精度。四、PIV技术的应用圆柱近尾迹研究圆柱近尾迹瞬态场测量结果圆柱后1倍直径圆柱后2倍直径圆柱后1倍直径圆柱后2倍直径四、PIV技术的应用超音喷流超音喷流测量结果四、PIV技术的应用超音喷流来流总压4.0atm测量结果四、PIV技术的应用超音喷流来流总压3.5atm的瞬态场测量结果四、PIV技术的应用超音喷流来流总压3.5atm的瞬态场测量结果五、SPIV测量技术Stereoscopic PIV 成像原理Scheimpflug成像方式平行成像方式五、SPIV测量技术测速原理三维速度合成三维速度合成的原理就是要找到物平面上粒子的空间位移与两个CCD像平面上位移之间的对应关系。六、SPIV技术的应用压气机非定常流场测量美国NASA的测量方案本研究的测量方案六、SPIV技术的应用压气机非定常流场测量美国NASA的测量方案本研究的测量方案六、SPIV技术的应用压气机非定常流场测量六、SPIV技术的应用压气机非定常流场测量Layoutofthemeasurementcrosssections六、SPIV技术的应用压气机非定常流场测量转子设计状态转子近失速状态六、SPIV技术的应用压气机非定常流场测量静子设计状态静子近失速状态六、SPIV技术的应用压气机非定常流场测量雷诺应力设计状态雷诺应力近失速状态压气机转子内流场六、SPIV技术的应用压气机非定常流场测量雷诺应力设计状态雷诺应力近失速状态压气机转子内流场六、SPIV技术的应用压气机非定常流场测量雷诺应力雷诺应力压气机静子内流场