PIV技術的應用與發(fā)展

孔維波

(蘭州交通大學 環(huán)境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070)

PIV(粒子圖像測速)技術是一種建立在圖像互相關分析基礎上的現(xiàn)代流場測量技術。該技術綜合了顯示測量技術和單點測量技術的優(yōu)點，在能夠顯示所測流場整體結(jié)構(gòu)的同時又保證了測量的分辨率和精度。它能夠在對流場不產(chǎn)生任何干擾的前提下，實現(xiàn)對流場瞬態(tài)的測量，并且具有非常高的分辨率和精度，目前已成為流場測量實驗中應用最為廣泛的技術之一。

1 PIV技術的發(fā)展

PIV技術是20世紀80年代發(fā)展起來流體力學測速方法。近些年來，隨著計算機技術、芯片技術、激光技術等多種技術的飛快發(fā)展，PIV技術越來越成熟，應用也越來越廣泛，現(xiàn)已成為研究湍流、渦流等復雜流動結(jié)構(gòu)的有力工具[1]。PIV從原理發(fā)展成為一種實用的技術首先要歸功于Keane和Adrian所做出的貢獻。Keane[2]等人利用自相關分析的詢問結(jié)果來研究無量綱參數(shù)。Adrian[3]等人通過對PIV最佳參數(shù)的研究，消除了互相關詢問中的信號偏差。Lawson[4]等人提出了將雙脈沖PIV技術應用到高速流流場測量的理論。后來隨著CMOS相機在PIV技術中的應用，數(shù)字高頻 PIV 系統(tǒng)也應運而生。現(xiàn)如今三維粒子圖像測速技術發(fā)展迅速，比如像多平面粒子圖像測速(MPPIV)、立體粒子圖像測速(SPIV)、掃描平面粒子圖像測速(SPPIV)、層析粒子圖像測速(TPIV)和全息粒子圖像測速(HPIV)等多種粒子圖像技術的應用也越來越廣泛。

2 PIV系統(tǒng)的組成

PIV測量系統(tǒng)主要包括光源系統(tǒng)、PIV同步系統(tǒng)、圖像拍攝系統(tǒng)以及圖像分析系統(tǒng)四部分[5]，其各部分示意圖見圖1。

圖1 PIV系統(tǒng)各部分示意圖

2.1 光源系統(tǒng)

PIV技術測量流場時，首先要投入一定量示蹤粒子，要求該示蹤粒子不會對流場產(chǎn)生任何干擾，且保證較好的散光性和跟隨性。然后利用亮度較高的片光源將需要測量的流場照亮，以便于圖像拍攝系統(tǒng)對該部分流場進行圖像采集。同時還要確保不需要采集圖像的流場區(qū)域處于黑暗狀態(tài)。

2.2 圖像采集系統(tǒng)

圖像采集系統(tǒng)主要包括透鏡、高速相機以及激光片光源三部分。在采集圖像時需要確保激光和高速相機處于相互垂直的位置上。同時采集圖像的時間間隔需要根據(jù)具體的測量條件來確定，但是在滿足實際測量情況的條件要盡可能地使激光發(fā)射的片光薄、曝光脈沖短，這樣有利于測量結(jié)果的準確性。

2.3 PIV同步系統(tǒng)

PIV同步系統(tǒng)是控制高速相機和激光器協(xié)調(diào)運作的裝置。在PIV技術用于測量流場時，其圖像拍攝往往是在很短的時間內(nèi)完成的，所以必須要確保在光源系統(tǒng)照亮待測流場的瞬間，高速相機要同時啟動儀完成圖像的采集。除此之外，PIV同步系統(tǒng)還具有控制高速相機采集圖像的幀數(shù)、激光器的脈沖時間間隔等功能。

2.4 圖像分析處理系統(tǒng)

圖像分析處理系統(tǒng)是用來從兩次曝光的粒子圖像中提取所測流場的速度場數(shù)據(jù)。通過圖像分析處理系統(tǒng)對高速相機拍攝到的粒子圖像進行互相關分析，可以確定粒子的運動速度，進而得到所測流場的速度分布。除此之外，圖像分析處理軟件還具有圖像剪輯、圖像后處理、標定模塊等功能。

3 PIV測量原理

PIV流場測量的原理是先在流場中投入一定量的示蹤粒子，要求該示蹤粒子要有良好的跟隨性和散射性，并且不會對流場產(chǎn)生任何干擾，然后利用相機對流場測量區(qū)域連續(xù)拍照兩次，同時得到兩張所測區(qū)域的粒子圖像，經(jīng)圖像的互相關分析，確定示蹤粒子在兩次拍照的時間間隔△t內(nèi)的位移，再通過計算得到粒子的速度，最后批量處理，以獲得整個拍攝流場區(qū)域的速度分布矢量圖。

4 PIV技術在流場測量中的應用

隨著計算機技術、激光技術以及圖像處理技術的快速發(fā)展，PIV技術也越來越先進，使得其在許多復雜流動領域中的應用也越來越多。張振揚[6]等通過PIV技術測量了柴油機缸蓋水套內(nèi)的流場，并通過互相關分析了得到了該流場不同截面上的速度場、渦量場和湍流度等流動信息，對進一步研究柴油機缸蓋水套內(nèi)流場的結(jié)構(gòu)，揭示冷卻液的流動機理有著重要的意義；胡鋒平[7]等將PIV技術應用于絮體檢測，獲得了粒度、分形維數(shù)等表征絮體特征的特性參數(shù)，反映了水力條件對混凝結(jié)果的影響；陳凱霖[8]等利用PIV技術觀測明槽交匯區(qū)的水流結(jié)構(gòu)，對干、支流交匯流場的研究具有重要的意義；李春麗[9]等利用PIV技術對浸沒式膜生物反應器內(nèi)近膜面的液相流場動力學特性進行了研究，得到膜面附近的液相流場數(shù)據(jù)以及液相流的渦量特性，其研究結(jié)果為膜生物反應器系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供了研究經(jīng)驗和實驗數(shù)據(jù)；王小兵[10]等利用PIV技術對雙切向入口雙錐水力旋流器內(nèi)部流體流動的全流場進行了測量，對揭示水力旋流器內(nèi)部流體流動特性作出了一定的貢獻。

5 PIV技術的發(fā)展前景

二維PIV近幾年來主要向著高頻率、高精度的方向發(fā)展。除此之外，多相流PIV和微PIV也逐漸發(fā)展成熟。多相流PIV主要是應用于多相流動的測量，其主要思路是先將多相轉(zhuǎn)化為單相，再利用已有技術分別對單相粒子圖像進行處理，同樣地，微PIV主要用于微小尺度流動下的流場測量,比如像關于微機械系統(tǒng)、生物芯片或者微機械系統(tǒng)等的研究。其原理和普通PIV基本相同,但在粒子布撒、流場照明方式以及圖像獲取等方面存在著較大差別。除此之外，在PIV技術出現(xiàn)以來，三維PIV一直是研究的重點方向，目前學者們也已提出了多種途徑來實現(xiàn)三維流場的測量，而且三維PIV技術也已逐漸應用于科學研究。三維PIV技術的逐步推廣，對諸如非定常、非周期性三維流動研究具有重要現(xiàn)實意義。