PIV测速实验

一、实验目的

1、熟悉粒子图像测速技术的原理；

2、应用粒子图像测速技术对圆柱绕流场的尾迹进行测试，掌握视场标定、粒子撒播、粒子图像采集及其后处理等实验步骤，加深对PIV技术的理解；

3、掌握速度矢量场的后处理，利用处理的结果对圆柱绕流场的特性进行分析。

二、实验装置

①激光器，②实验模型，③风洞实验段，④CCD相机，⑤示踪粒子，⑥片光源，

⑦计算机，⑧激光器电源及同步控制器。

图1 粒子图像测速系统（PIV）

三、实验原理

图2 PIV系统原理示意

粒子成像测速技术（Particle Imaging Velocity）是一种基于两个时间点快速摄像原理的非接触流场分析技术。该技术不仅可以测量流场的速度，而且可以实时显示流场信息，在航天推进，生物医学，航空，微/纳机电系统等领域有着非常广泛的应用。本实验应用PIV系统对风洞中的圆柱模型非定常尾迹进行测试。

PIV测量时，在待测流场中撒播示踪粒子，激光照射示踪粒子后激发的荧光将由CCD相机进行捕捉。相机透镜使研究区域在相机传感器上成像，这样相机可以获得每一个激光脉冲的图像。在已知时间步长的两个相邻时刻捕捉的一对粒子图像称为一粒子图像对。然后通过互相关算法（或自相关算法）求取两幅粒子图像上对应判问域在此时间间隔内的位移，即速度向量是通过测量粒子在两个激光脉冲之间的运动获得的：

其测量原理参见图2。

X t四、实验方法与步骤

1、视场标定

（1）检查激光器电源的接线是否正确，打开激光器电源开关； （2）按先后顺序将激光器电源面板上的System开关置“on”、“Pump on”、“Laser on”,激光器预热一段时间后，大约冷却水的温度达到40度以上，再点击“Shutter open”;

（3）开启CCD相机；开启PIV系统主机；PIV软件操作；

（4）调整激光，使其投射到待测区域并保证待测区域都能被充分照亮； （5）通过微调激光镜头，使得片光的光腰处于视场中心； （6）调整相机。 2、拍摄粒子图像

（1）取下标定板，整理风洞实验段，保证实验段无工具或材料遗漏，关闭风洞实验段。安装CCD相机的滤光镜，安装过程中严禁改变相机位置。

（2）打开风洞，稳定后，开启压缩气源，散播示踪粒子，关闭外部光源。 （3）PIV软件操作，图象抓拍。 3、粒子图像对的计算

（1）在Davis: PIV project界面下，选中要处理的粒子图象文件，点击工具栏上的（Batch）;

（2）进入Batch Processing界面，在operation list的树状表中添加或删减要计算的项目，点击树状表的空白即可时，可以从右侧的Operation 2下的Group下拉菜单选择需要进行计算的项目。

4、导出数据

导出数据，要tecplot进行处理

五、数据处理与分析

（1）在速度场后处理软件（如Tecplot）中，处理瞬时速度矢量场、时均速度矢量场，并分别给出x方向和y方向的速度等势图。

（2）在速度矢量场的基础上，画出流线图和涡量等势图。

（3）结合所得速度矢量场、流线图、涡量等势图等对圆柱绕流场的特性进行分析。

x方向速度等势图

y方向速度等势图

流线图1

流线图2

3D

如上五图，涡量集中的区域主要分布于圆柱的上下两侧，强度相近。根据颜色可判断两个区域的涡矢量方向相反，上侧的为负，下侧的为正。这两个位置可以看作尾流和主流的分界区，存在较大速度梯度。

五、思考题

（1）试列举影响PIV测量精度的主要因素？

答：1、示踪粒子的选用会影响测量精度。因为PIV技术难以测得小粒子信息，更适合大粒子的粒径测试，所以选择合适的示踪粒子会提高测量精度；

2、PIV算法影响测量精度。当得到流场图像后，PIV在本质上转化为图像处理技术。经过相机标定、滤波等预处理后，通过粒子匹配算法获得粒子在像平面上的位移，进而计算出粒子的运动速度矢量分布。最早采用光学杨氏条纹法、自相关法等来匹配粒子图像，但本身具有不可克服的缺点。目前，PIV算法一般采用灰度图像互相关法处理粒子图像，粒子匹配率和精度较高。

（2）请简要介绍PIV技术的优缺点？ 优点：

1、PIV是一种全场测试技术，可以获取瞬态速度全场信息，并可对粒子图象进行分析获得粒子尺度和浓度等信息。测试效率很高；

2、PIV技术对粒子的球形度没有，对其到分辨率喷雾信息可实现局部喷雾结构的细致分析；

3、PIV工作量小，实验周期短。 缺点：

1、相对PDA技术，其频率响应较低，一般应用为10Hz量级； 2、难以测得小粒子信息，更适合大粒子的粒径测试。