基于高速纹影/阴影成像的流场测速技术研究进展

本文对近年基于纹影/阴影成像的二维和三维速度场测量方法进行了综述，主要内容包括纹影成像的基本原理、硬件设备和测速算法的研究进展。在二维测速方面，介绍了纹影/阴影PIV算法、光流算法及改进算法的原理、适用场景以及优缺点。纹影特性改进光流测速算法可以实现高精度、高空间分辨率的速度场计算，适用范围相对较广。在三维粒子追踪测速方面，主要介绍了层析阴影成像、双视角平行光段阴影成像、双视角汇聚光段阴影成像三种系统的光路设置，并对各自采用的粒子重构和追踪算法进行了比较。双视角阴影成像系统的光路布置更为简洁，降低了对硬件设备的要求，在高速测量中更具优势。梳理了近年来三维粒子追踪测速算法的发展脉络，重点介绍了“先追踪–后重构”和“时间–空间耦合”的双视角三维粒子追踪测速算法。时间–空间耦合的三维粒子追踪测速算法充分利用了时间和空间信息，将时序信息引入立体匹配过程中，显著提升了双视角阴影成像系统在粒子图像密度较高时的重构正确率和追踪准确率，其整体性能优于多种人工智能算法。测速算法在上述方面取得的研究进展，结合短曝光、高帧频的图像采集优势，使得纹影/阴影成像成为一种新型的高帧频、高精度的速度测量技术，在复杂湍流及高瞬态流场实验研究中具有广泛的应用前景。     

基于单相机光场PIV的逆压湍流边界层测量

作为一种新兴的体三维粒子图像测速技术，光场单相机三维粒子图像测速技术（Single-Camera Light-Field Particle Image Velocimetry，LF-PIV）能够仅用单个相机获得三维速度场，其结果已在许多复杂三维流动测量中得到验证。LF-PIV的优势主要在于其紧凑简便的硬件设备以及对光学窗口较宽松的要求。应用LF-PIV技术对一个自相似的逆压湍流边界层（Adverse Pressure Gradient Turbulent Boundary Layer，APG-TBL）进行测量，该实验在澳大利亚莫纳什大学（Monash University）航空航天与燃烧湍流研究实验室（Laboratory for Turbulence Research in Aerospace and Combustion，LTRAC）水洞中完成。实验对远、近壁面测量所得到的各600组瞬态三维流场数据进行分析验证，并与相同工况下的2D-PIV实验结果对比，证明基于DRT-MART重构技术的LF-PIV能够进行基本的湍流边界层测量。     

基于机器学习方法的三维粒子重构技术

通过三维粒子重构获取粒子场的分布情况是层析粒子图像测速的关键步骤，有限二维投影下的三维粒子重构是一个欠定的反问题，其精确解往往很难得到。一般情况下，可以通过优化方法得到近似解。为了获取质量更高的粒子场并用于层析粒子图像测速，提出了一种基于卷积神经网络（Convolutional Neural Networks，CNN）的粒子重构方法。所提出的技术可以从基于传统的代数重构技术（Algebraic Reconstruction Technique，ART）的方法所得到的粗略粒子分布中进一步提高粒子重构质量。与现有的基于ART的算法相比，新技术在重构质量方面有了显著的改进，可以有效剔除虚假粒子并更准确地还原粒子形状，并且在粒子浓度较稠密的情况下计算速度至少快了一个数量级。     

圆柱尾流场的 Tomo-PIV 测量

层析粒子图像测速(Tomo-PIV)是一种先进的光学测量技术,能够定量获取三维体视流场结构,可作为诸如湍流、多涡系干扰等三维复杂流场的有效测量手段。为了实现该技术在风洞模型测量中的应用,研究了工程应用和数据处理方法。在中航工业气动院 FL-5风洞,选取12mm 直径的圆柱体作为试验模型,应用 Tomo-PIV 技术测量了圆柱三维尾流场,通过解决体光源引入、示踪粒子投放和现场标定等关键技术以及对数据处理方法的研究,成功获得了圆柱体后方典型的三维卡门涡流场。测量区域约95mm×70mm×8.5mm,粒子图像分辨率达到20 pixels/mm,包含数万个速度矢量数据,实现了 Tomo-PIV 的风洞试验验证。     

三维PIV原理及其实现方法

粒子图像测量技术(PIV)在现代流场测量中发挥了重要作用,是流场测速研究的发展方向之一.随着二维PIV日益完善,新课题对流场测速技术提出更高的要求,推动了三维PIV的深入研究,但该技术的复杂性使得流场的三维速度测量更为困难.笔者以PIV技术为对象,重点阐述基于针孔相机模型的三维PIV原理和实现方法,并探讨了三维PIV研究工作的若干进展.     

光场单相机三维流场测试技术

将光场三维成像技术与实验流体力学相结合，实现单相机对空间三维瞬态流场（3D3C）的精确测量，为流体力学实验研究提供了一种全新的测试技术。详细介绍了具有自主知识产权的光场相机硬件系统、基于乘积代数重建技术（MART）的粒子光场图像重构算法以及基于光线追迹的数字光场图像合成算法。利用DNS数字合成图像以及低速射流实验图像，将所发展的光场单相机三维流场测试技术（Light Field Particle Image Velocimetry，LF-PIV）与目前最成熟的三维流场测试技术层析PIV（Tomographic Particle Image Velocimetry，Tomo-PIV）进行对比研究分析。实验结果表明LF-PIV技术完全能达到与Tomo-PIV同等量级的测量精度。     

双极性等离子体激励器圆柱绕流控制实验研究

在低速风洞中利用多级双极性等离子体激励器控制圆柱绕流的流动分离.实验风速U∞=10m/s,基于圆柱直径的雷诺数Re=2.8×104,在实验中将两组三级双极性等离子体激励器布置在圆柱模型肩部,利用粒子图像测速技术测量圆柱的尾流场.实验结果表明,采用定常和非定常激励均能抑制圆柱尾迹区,等离子体激励强度是影响激励器对圆柱绕流控制能力的重要因素;非定常脉冲激励耗电少,对流动控制能力强,效率明显高于定常激励,脉冲激励频率影响等离子体激励器对流动的控制能力.在实验风速为10m/s时,脉冲激励频率与圆柱涡脱落频率一致,流动控制效果较好.     

LDV和PIV测速技术测量离心压气机内部流动的应用进展

离心压气机流场的精细测量对深入理解内部流动特征极其重要。传统的接触式流场测量技术存在空间分辨率低、堵塞效应严重、测量位置单一等缺陷,已经不能满足现代先进离心压气机的测量需求。激光多普勒测速技术（Laser Doppler Velocimeter,LDV）和粒子图像测速技术（Particle Image Velocimeter,PIV）作为两种典型的非接触式测量技术,具有测量精度高、适用范围广、非接触测量等特点,在离心压气机内部流场测量方面展现出巨大潜力。通过梳理国内外LDV和PIV测速技术测量离心压气机内部流动应用现状,介绍了LDV和PIV测速技术在离心压气机内流场测试方面的应用进展,着眼于试验方案、试验细节和技术难点,结合测量技术的未来发展趋势,从实际应用角度出发,对LDV和PIV测速技术在离心压气机内流场测量方面的应用进行了总结和展望。     

基于双光场相机的高分辨率光场三维PIV技术

光场相机粒子图像测速（Light Field Particle Image Velocimetry，LF-PIV）是一种近几年新发展起来的流动测试手段，能够仅通过单个光场相机测量3D-3C瞬态速度场，简化了三维流场测量的实验复杂度，特别是能实现受限空间的三维速度场测量。然而这一技术尚存在一些不足:由于光场相机沿景深方向的空间分辨率较低，沿该方向的速度测量精度低于垂直于景深方向的测量精度。本文尝试从硬件角度入手，发展一种双光场相机流动测试技术，通过增大对示踪粒子的观察视角，来提高光场三维测量系统沿景深方向的空间分辨率。基于乘积代数迭代技术（Multiplicative Algebraic Reconstruction Technique，MART），开发了针对双光场相机的粒子三维重构算法。分别利用直接数值模拟（Direct Numerical Simulation，DNS）水射流的数字合成图像与低速水射流涡环的实验图像，将双光场相机的测量结果与单光场相机的测量结果进行对比分析研究。结果表明双光场相机与单光场相机相比显著提高了相机沿景深方向的测量精度。     

阀体后90°圆形弯管内部流场PIV测量及POD分析

利用激光粒子图像测速技术对阀体后90°圆截面弯管的内部流场进行测量,获取了弯管流场在不同来流流速及观测截面上的高分辨率瞬态速度场数据.分析了图像相关计算所获得的瞬态及时均速度场,对流场进行本征正交分解,并进一步分析重构脉动场中的涡结构特性.结果表明:流体流经蝶阀在弯管中形成卡门涡街,涡结构信息包含在本征正交分解低阶模态中,脉动场的模态重构可以还原涡的流动特性.     

光场三维速度和温度同步测量技术仿真分析

本文提出了LF-PIV（单相机光场测速技术）与基于温敏磷光粒子衰减时间的测温技术相结合的三维速度和温度同步测量技术,实验校准了温敏示踪粒子（Mg₃F₂GeO₄:Mn）光强衰减时间和温度的对应关系,仿真分析了相机曝光时间特性对测量准确性的影响。在相机两帧图像曝光时间可控条件下,利用DNS（Direct Numerical Simulation）得到的水射流数据进行数字合成图像仿真（射流温度及环境温度为均一温度343.15 K）。重构了三维粒子光强,反算了温度及速度场,分析了测量误差。在现有光场相机硬件参数条件下进行了可测量速度的理论分析及仿真研究。结果表明:在相机两帧图像曝光时间可控条件下,本文所提方法可实现三维速度和温度同步测量;但受现有光场相机硬件参数限制,目前可测量的速度较小。     

Tomo-PIV亚跨声速风洞应用探索

层析粒子图像测速技术(Tomographic Particle Image Velocimetry，Tomo-PIV)是将PIV技术和计算机断层诊断技术(CT)相结合的一种瞬时三维流场速度测量技术，能够定量获取流场的三维结构。通过对该技术的研究，实现了其在亚跨超声速风洞的应用，并进行了超临界翼型小肋减阻的试验验证。基于中国航天空气动力技术研究院FD-12亚跨超声速风洞，设计了体光源和相机等硬件设备的布局方案，解决了示踪粒子的均匀播撒问题，测量了Ma=0.6条件下的自由来流流场，并与PIV测试结果进行对比，两者数据吻合较好，验证了Tomo-PIV的测量精度。针对超临界翼型OAT15a，测量了翼型表面分别贴附光滑薄膜和顺流向对称V形小肋薄膜后翼型尾缘后方的三维速度场。对比发现，贴附小肋薄膜后尾缘后方流场的马赫数增大，说明小肋能够减小翼面摩擦阻力，具有一定的减阻效果。     

超声速光学头罩流场的PIV研究

在马赫数Ma=3. 8超声速风洞中.采用PIV(Particle Image Velocimetry,粒子图像测速)技术测量了超声速光学头罩流场的速度分布.PIV技术应用于超声速流场时,对系统的硬件配备、示踪粒子的跟随性以及PIV算法的精度有很高的要求.本文PIV系统选用高精度的同步控制器和高能量激光器;以纳米级粒径的粒子作为示踪粒子,通过斜激波响应实验分析了其在超声速流场中的跟随性;并采用多种高精度速度场算法对粒子图像进行处理.实验结果表明,示踪粒子在超声速流场中有很好的跟随性,采用的高精度速度场算法能够很好地反映超声速光学头罩流场的速度分布.     

PIV系统测量误差的实验评价方法以及实验参数的优化

提出了一种PIV(Particle Image Velocimetry)测量误差的实验评价方法：利用匀速转动圆盘上粒子的反射光模拟流场中示踪粒子散射光解决基准速度场。建立了一套二维PIV系统的测量误差评价系统,利用该系统对PIV测量误差和测量精度进行了实验评价,得到了结果误差在空间及时间上的概率分布特性,并对两个关键PIV实验参数进行了优化。实验表明该误差评价方法装置简单,方法可靠,可方便灵活地对PIV系统测量误差和测量精度进行实验评价和参数优化研究。     

斜出口合成射流激励器非定常流场特性实验研究

设计了平直和倾斜单出口合成射流激励器,应用非接触粒子图像激光测速技术(PIV)对出口附近的非定常流场特性进行了研究,得到了两种激励器产生的合成射流的瞬态和时均流动结构.研究结果表明:斜出口和常规平直出口激励器流场结构存在明显差异,右斜出口激励器仅在出口左侧边缘形成集中旋涡,在右侧形成附壁射流,补充激励器内部质量的空气来自于尖锐出口左侧,时均流场呈现沿壁面的横向输运特性,其流动特性十分有利于进行边界层分离流动控制.