粒子拖尾长度对高频DPIV测量误差的影响

基于连续激光源的高采样频率DPIV系统在进行曝光时可能会产生粒子拖尾现象.明渠湍流试验和数值模拟试验结果显示,粒子拖尾长度的增加会导致平均流速减小和湍流强度增大.分析表明,导致平均流速误差的原因之一是诊断窗口边缘局部粒子图像的缺失,且图像缺失程度会随着粒子拖尾长度增加而增大,从而使平均速度随粒子拖尾长度增加而减小;粒子拖尾的另一个直接后果是增大了粒子图像的有效粒径,从而导致湍流强度增大.通过增大第二个诊断窗口的尺寸,进行相关函数标准化和相关系数补偿等方法,可以消除粒子拖尾长度引起的误差.     

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。     

复杂固体边界流场的三维 PIV 测试技术：任意三维边界识别算法

针对复杂固体边界三维流场的 PIV 测试应用,以及流固耦合实验研究中流场和固体结构特征的瞬态同步测试需求,发展了一种基于双相机布置形式的任意三维边界识别算法以精确获取三维表面几何信息;并以基于MLOS-SMART 三维粒子场重构的 Tomo-PIV 算法计算三维速度矢量场,可同步获取三维表面结构运动／变形信息和三维瞬态速度场。这一边界识别算法基于 SURF（加速稳健特征）模式识别算法进行三维曲面重构,可以确定流场中三维物体结构的边界特征。论文采用双相机布置方式获取了三种不同曲率的圆柱曲面图像,验证了所发展的三维边界识别算法的准确性。最后以圆柱绕流 Tomo-PIV 数字合成粒子图像序列为验证对象,采用所发展的边界识别算法和 Tomo-PIV 算法分别高质量地计算出圆柱曲面信息和三维速度场。     

面向新世纪的粒子图像测速

一种综述粒子图像测速(Particle Image Velocimetry)的非接触、瞬时、动态、全流场的和本质上是直接的速度场测量技术,成为当今最实用和非常有潜力的流体力学全流场观测(Full Flow Field Observation & Measurement)技术.回顾和展望PIV(包括DPIV,SPIV,HPIV等)及其应用的进展和前景.面临新世纪,PIV技术有望最终攻克一个容积的三维速度场时间历程(3Dt-3C)的观测和推动流体力学进入十分活跃的新时期.     

DPIV技术在超声速自由涡气动窗口研究中的应用

超声速自由旋涡气动窗口是利用超声速自由旋涡射流来密封高能激光器低压的激光腔,了解气动窗口的流场结构对提高其气动性能和光学性能是非常重要的。本文采用纳米材料作为示踪粒子,开发了超声速流场的DPIV测试技术,并应用于超声速自由旋涡气动窗口的流动显示和测量。测量的最大流场马赫数为4.21,得到了气动窗口的启动过程和剪切层非线性快速增长的流动图画,获得了超声速自由旋涡射流及其诱导流动的速度场。     

基于光流算法的粒子图像测速技术研究

光流测量技术作为一种新的空气动力学实验技术,以其像素级分辨率的矢量场测量优势获得广泛的应用。光流测量技术使用光流约束方程,配合平滑限定条件,可以进行速度场测量,获得高分辨率的全局矢量场。首先通过研究积分最小化光流测速理论和算法,采用C++编写光流速度测量程序,然后通过3种典型人工位移图像对光流计算程序进行验证,并将结果和标准位移分布进行比对分析,以指导如何在实际应用中获得高精度光流速度场,最后进行小型风洞后向台阶实验,利用高速相机拍摄示踪粒子图像,使用光流计算程序获得速度矢量场,同采用互相关算法的粒子图像测速计算结果进行比较,体现出光流计算方法像素级分辨率的矢量场测量优势。     

浅水平板半岛尾流特性的实验研究

对于尾流的研究大都局限于岛屿型绕流体在展向非常长的情况,但是在天然环境和水利工程中出现的多为水深相对很浅的流动,并且很多是绕半岛形建筑物的流动。由于底部摩阻和壁面边界的限制,浅水域中的半岛尾流有着一些特殊的流动规律。笔者采用数字粒子图像测速(DPIV)技术,在长30m、宽3.5m、高1m的水槽中比较系统地测量了浅水中绕平板半岛的尾流区流场,分析了大尺度旋涡的运动规律,得到了控制尾流流动形式的稳定性参数的临界范围。     

绕水翼超空化阶段汽液混合体动态特性的实验观测

为深入了解超空化流动机理,采用高速录像和数字粒子图像测速系统( DPIV)对绕hydronautics水翼的超空化流场进行了观测.结果表明:在两相共存超空化阶段,水汽混合相和汽相的分布决定了超空化区域速度场和涡量场的分布特性;水汽混合区的速度相对较低,而汽相区则与主流区有着相近的速度分布,而且空化区与主流区交界面处有着较大的速度梯度;在水汽混合区与主流区的交界处形成了上下涡带,其涡量分布表现出了明显的时间依赖性.     

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。     

微灌滴头平角齿形微通道流动实验研究

采用Micro-PIV技术,以边长800μm方形截面平角齿形微灌滴头内流微通道为对象,对微通道内流体运动进行了测量。实验使用10x显微物镜、14位灰阶PCO1600相机、3μm荧光示踪粒子和仅允许610nm红光透过的滤光镜相配合、获取了清晰的粒子图像,解决了相机与PIV系统的匹配问题,提高了图像信噪比。在图像处理中使用多次测量取平均的方法消除示踪粒子的布朗运动影响,运用系综互相关算法获取流场速度分布和流线图。实验发现微通道内各齿间流动结构基本一致,即通道内流充分发展后是一种周期性流动;通道顶角和转角内侧存在低速涡旋区,其涡旋结构和尺度随时间和Re变化而变化;颗粒在低速涡旋区易发生沉积,是造成堵塞的主要原因。     

二维波动板流动显示方法研究

介绍了在水洞中进行的二维波动板周围流场的流动显示实验。通过氢气泡、粒子示踪法和粒子成像速度仪三种方法定量和定性地显示了二维波动板周围的流场结构。揭示了特征参数C／U与流场特性的关系,探讨了鱼类波状摆动对流动分离的抑制机理。同时还对三种不同的流动显示技术进行了探讨。     

数码相机标定方法研究

数码相机在计算机视觉中的应用逐渐普及和深入，在应用中数码相机的标定是相当重要的，根据数码相机的特点，提出了一种新的标定方法，针对数码相机的某一状态，先确定其内部参数矩阵，再通过采集的图像术出外部参数矩阵，首先建立了相机成像的几何模型，并将此模型分解成内、外参数矩阵。文中详细介绍了数码相机内部参数矩阵中的各元素 应的物理参数以及求解它们的原理和方法，从而建立内部参数矩阵，推导了求解外部参数矩阵的计算公式，并且介绍了相应的求解方法，再由外部参数矩阵求解出对应的物理参数，通过实验表明这种方法有相当高的精度，且操作方便。     

铝液在多孔介质中流动的水力模拟测试

本文采用单片微型机辅助测试系统对铝液在多孔介质中渗流的水力模拟流动进行了测试,通过与图像处理结果比较表明该测试稳定性好,灵敏度高,所测结果较真实地反映了流体反重力渗流的流动规律。     

二次成像法在风洞模型自由飞运动记录中的应用

风洞模型自由飞是一种无支杆干扰的非接触式气动特性测量方法。为获得相对于实验室固定坐标系的精确的模型姿态和位置测量值，必须在成像照片中有固定坐标系框架标志的清晰影像。本文描述了在高超声速脉冲风洞中模型自由飞运动记录中二次成像法的应用。以０．１ｍｍ细线所构成的正交实验室固定坐标框架置于模型运动记录的第一次成像面上，然后用高速鼓轮相机记录模型自由飞相对于坐标系运动的清晰照片，从而获得模型在高超声速（Ｍ＿∞＝９．９）流动条件下的静、动稳定性导数的有效结果。     

从二维图像直线光流场求解三维刚体旋转运动参数

本文将图像直线的三个参数对时间的导数定义成直线光流场，找出了在透视投影模型下运动刚体上的空间直线与其投影的图像直线之间的关系，提出了一种利用单目图像序列中两幅连续图像的三对直线光流场，通过解线性方程组得到刚体旋转运动的算法，同时还可以得到摄像机的一个内参数焦距。由于是解线性方程组，无需迭代和给出迭代初值且所需要的直线数目少，所以该算法简单，运算速度较快，容易实现。     

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。