三维PIV透视成像粒子定位的可确定性

三维粒子成像测速 (PIV)的透视成像分析方法中 ,在运用体积光照明并从多个不同光轴方向用多台照相机或摄像机同时获得PIV图像后 ,根据多幅不同光轴的PIV图像的透视性质 ,运用物点三维定位的透视成像定位原理和方法 ,可通过找出各透视面上像点所对应的透视射线的交点来确定相应粒子的三维位置。问题在于 ,尽管粒子所在位置上必然存在各像点相应的透视射线的交点 ,但反过来 ,相应的透视射线的交点上却未必存在着真实的粒子。换言之 ,示踪粒子与其像点相应的透视射线相交的交点间一般并不存在一一对应的关系。本文讨论了在给定透视中心和透视平面位置的条件下 ,由多幅不同光轴的PIV图像上的粒子的透视像点来确定粒子物点是否存在意义上的可确定性 ,并讨论了PIV图像上粒子像斑密度、尺度及其中心测量精度对粒子物点可确定概率的影响。     

粒子像斑三维定位的透视成像原理和方法

在三维粒子成像测速 (PIV)方面 ,可运用体积光照明同时从不同光轴用多个照相机获得PIV图像 ,如何根据这些不同光轴获得的PIV图像确定出粒子物点的空间位置是实现三维粒子成像测速的前提。基于此 ,提出了根据多幅不同光轴的PIV图像的粒子像斑实现粒子物点三维定位的透视成像定位原理和方法。精确确定透视平面与透视中心在空间的位置是实现粒子物点三维定位的关键 ,直接测定透视中心 (照相机的光学中心 )和透视平面在空间的精确位置用常规的测量手段和方法难以奏效 ,因而针对透视图像成像特征及规律进行了较为深入地研究探讨 ,这对于寻求精确计测透视中心和透视平面空间位置的方法有着重要意义。作为实例 ,还给出了两光轴夹角为 90°情况下实现粒子物点三维定位的一系列具体方法和有关算法及定量关系。     

PIV图像粒子像斑的定位偏差评估的讨论

针对PIV技术的直接测量法中图像的可读性和可测性，讨论了从模拟图像到数字图像，最后到粒子像斑中心位置的确定过程中的误差规律；并提出一种称之为粒子像斑定位偏差综合评估的试验方法。该试验提供了一个能较为全面地定量考察PIV图像处理系统（包括硬／软件）在整个图像读入及粒子定位计测过程中对真值偏差的评估方法。最后，对石油大学流体测试室所开发的PIV图像实时采集处理系统进行了其定位偏差的评估测试。     

应用LDV和PIV技术测量波-流系统的粒子速度

将激光多普勒(LDV)技术同粒子成像测速技术(PIV)结合起来测量波动过程的粒子速度,得到了波槽中规则波的速度振幅剖面和二维空间速度向量分布。实验表明,应用电光调制获得频移的 LDV 系统可以方便地得到周期性交变的连续的实时速度信息,而采用较大直径粒子作为示踪体拍摄到的多次曝光成像照片有助于了解全场平均流动的特征。实验发现,在波流共存的条件下,增大波振幅时,速度剖面有显著的平均速度亏损现象。     

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。     

PIV诊断系统在Mac机上的移植与改进

实现粒子图像测速（PIV）包括两个关键步骤：粒子图像的获取和粒子图像的处理。本文为粒子图像的处理探索出了一条新的途径，实现了原诊断系统在Mac机上的移植，并且根据Mac机处理图像信息的先进性对原处理系统进行了改进，特别增强了其后处理功能。     

任意运动变形边界流场测量PIV算法的研究:薄膜涡激振动

提出了一种精确测量任意运动变形边界流场的粒子图像速度场PIV算法,能智能识别强流固耦合问题流场测量中任意运动变形的边界信息,然后生成贴体自适应的图像互相关计算窗口,计算获取运动变形边界附近的速度场数据。这一算法可大大提高任意运动边界附近流场的测量精度,为流固耦合问题的理论分析和数值计算验证提供可靠的高质量实验数据。针对数字合成给定流场的粒子图像序列,采用所发展的PIV算法对粒子图像区域中的运动变形边界进行了精确识别,高质量地复现了原始流场信息。最后,对低速闭式循环水洞中的钝体尾流柔性薄膜涡激振动现象进行了PIV实验测量,获得了柔性薄膜大变形运动状态下的瞬态流场特征。     

三维旋转水平轴风力机流场的PIV试验和数值模拟

通过粒子图像测速仪(Particle image velocimetry,PIV)测量和定常计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)数值模拟相结合的方法,对某三维旋转水平轴风力机模型的流场展开研究。在风洞开口实验段,来流风速为8m/s,针对不同尖速比(λ=4,8)利用PIV技术对风力机叶片的瞬时速度场进行测试。通过定常CFD数值模拟,获得了风力机叶片在相应工况下的流场细节。在8m/s来流风速下,当尖速比大于7.4时,试验测得的风轮扭矩和风能利用率与数值模拟结果趋于一致。尖速比小于7.4时,试验测得的扭矩值低于计算值,其风能利用效率也较低。通过速度矢量分布可以看出,在λ=4时,PIV测得靠近叶根的两个截面S1,S2在叶背有明显的流动分离,CFD结果中仅在S1截面叶背存在流动分离,S2截面叶背存在低速区。在λ=9.8时,PIV和CFD结果均显示叶片绕流流场没有流动分离。尝试采用Gamma Theta转捩模型进行了数值模拟,在考虑了层流影响后,计算所得风轮扭矩更加接近试验值。     

合成射流控制翼型分离的流动显示与PIV测量

合成射流是一种新型的流动控制技术,近年来引起广泛关注.本文首先利用热线风速仪测量了基于声激励的合成射流流动特性,确定了最佳输入信号频率;采用流动显示和PIV测试技术,研究了合成射流对二维翼型分离流动的控制效果.研究结果表明,合成射流可以有效地抑制二维翼型在大迎角下的分离流动;PIV测试结果进一步表明,合成射流开启后使翼型上表面分离区域减小,分离点后移.应用合成射流控制翼型流动分离,可以大大改善翼型在大迎角下的气动特性.     

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。     

超跨声速喷流流场的PIV测量

对示踪粒子发生装置和几种粒子的特性进行了实验研究 ,发现压缩空气流中自然存在的润滑油粒子在跟随性、分布的均匀性和稳定性、以及浓度方面对于PIV测量都非常有利。实验成功地应用PIV技术对超跨声速喷流流场进行了测量 ,初步分析了测量结果与理论的差异 ,并分析了实验的可靠性和精度。     

PIV技术在近水平油水两相流研究中的应用

自行研制了用于油水两相流研究的PIV(粒子图像速度仪)实验系统.该实验平台主要用于研究近水平油井测量仪器内的油水两相管流.分别对水平油水两相流中的分层流和分散流的速度场进行了测量.油水两相流流动速度分布与单相流有着明显不同的特征.油水分层流情况下油相和水相之间存在比较显著的速度滑移.而在水包油分散流的情况下,由于油滴平均直径在径向上的不对称分布,以及小油滴具有更好的跟随性等原因,油滴的轴向速度也呈现不对称性.PIV技术在油水两相流研究中展示出良好的应用潜力.     

应用PIV测量缩比共轴双旋翼流场特性的研究

采用粒子图像测速(Particle image velocimetry,PIV)技术对一缩比共轴双旋翼模型在悬停和以不同前进比前飞时的流场进行水洞实验。测量得到了旋翼流场的瞬时涡量的速度分布,桨尖涡的脱落轨迹,悬停时的尾迹边界和前飞时的尾迹边界等流场特性参数分布。研究了不同状态下共轴双旋翼流场的气动干扰特性。在悬停时,下旋翼的桨尖外侧有上洗流现象,而下旋翼则没有。与共轴双旋翼性能试验数据比较得出,在悬停时共轴双旋翼形式存在有利的相互气动干扰现象。实验还得出了悬停和不同前进比前飞时桨尖涡的脱落轨迹。     

采用PIV研究轴流风机叶顶泄漏流动

将粒子图像测速技术(PIV,ParticleImageVelocimeter)应用到低速轴流通风机实验台上,在设计工况下对轴流通风机转子叶顶区域的瞬态速度场进行了实验测量。测量得到了三个不同周向位置下的涡量图和速度矢量图,并观测到了叶顶泄漏涡的涡旋结构。重点研究了叶顶泄漏涡位置的不稳定性和锁相平均后的叶顶泄漏涡涡心的轨迹,并将实验结果与原有模型进行了比较。结果表明:叶顶泄漏涡涡心的运行轨迹与现有模型得出的估算公式的计算结果接近,基本吻合。     

关于粒子图像测速仪精度的数值测试

利用数值模拟的方法对粒子图像测速仪的精度问题进行了数值实验。速度场是通过对一个片光源上两次曝光的图像进行互相关处理来得到的。为了研究流体运动的不均匀性对于一个诊断区内速度矢量测量结果的影响，针对五种典型的不均匀性进行讨论。数值实验的结果表明有几种流体运动不均匀性会显著地影响这种粒子图像测速方法的精度。     

文氏管长度对双级涡流器出口流场影响的试验研究

采用粒子图像测速仪（Particle image velocimetry, PIV）测量双级涡流器出口流场,改变文氏管长度,探讨文氏管长度对双级涡流器出口流场的影响,揭示了涡流器下游流场特征,获得了沿轴向不同位置的轴向速度和径向速度分布规律。研究表明：随着文氏管长度的增加,涡心发生径向位移,上下涡心的中心距离从22.2 mm增加到了29.2 mm,中心回流区的面积增加,轴向速度和径向速度分布特征有利于燃烧组织。