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1、水道港口第23卷第1期2002年3月JournalofWaterwayandHarbourPIV的原理与应用孙鹤泉,康海贵,李广伟(大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,大连116024)摘要:PIV是一种无扰动的二维流场测试技术。随着计算机技术、图像处理技术的快速发展,该技术近10年来有了长足的发展。详细阐述了PIV系统的结构与互相关分析原理,不但提供了在单向流实验中ADV与PIV的对比结果,而且提供了桩基码头模型时的涡流场分布,充分体现了PIV的实用价值。关键词:PIV;二维流场;互相关理论中图分类号:TV
2、13113文献标识码:B文章编号:1005-8443(2002)01-0042-041前言传统的流速测量仪器,如通常采用的多普勒流速仪ADV(AcousticDopplerVelocimeter),只能进行单点测量,而且是接触式测量,无法对整个区域内的二维流场进行无扰动测量。当流场内部的流速变化较大,且有涡存在时,传统的仪器很难实现流速的准确测量。计算机技术与图像处理技术的快速发展,使得流场测试技[1]术得以迅速发展与提高。PIV(ParticleImageVelocimetry)技术克服了以往流场测试中单点测量的
3、局限性,能够进行平面二维流场的测试,是一种非常有发展前景的无扰动流场测量技术。2PIV的结构利用PIV技术测量流速时,需要在测量的二维平面中均匀散播跟随性、反光性良好且比重与流体相当的的示踪粒子,使用CCD等摄像设备获取示踪粒子的运动图像。对示踪粒子的运动图像进行分析,就能够获得二维流场的流速分布。流场中某一示踪粒子在二维平面上运动,其在x、y两个方向上的位移随时间的变化为x(t)、y(t),是时间t的函数。那么,该示踪粒子所在处的水质点的二维流速可以表示为公式(1):dx(t)x(t+Δt)-x(t)νx=≈=ν
4、xdtΔt(1)dy(t)y(t+Δt)-y(t)νy=≈=νydtΔt式中:νx与νy是水质占沿x方向与y方向的瞬时速度,νx、νy是水质点沿x方向与y方向的平均速度,Δt是测量的时间间隔。在公式(1)中,当Δt足够小时,νx与νy的大小可以精确地反映νx与νy。PIV技术就是通过测量示踪粒子的瞬时平均速度实现对二维流场的测量。当测量流体表面的流速时,可以在自然光照条件下进行实验,而对流体内部的二维流场测量时,必须使用辅助片光源照明,图1为采用PIV测量流场内部流速的实验示意图。图1中所示的实验过程是这样的:激光
5、器产生的光束经柱面镜散射后变成光片,平行照射流场内部的一个平面,位于该平面上的示踪粒子反射的光线经光学镜头聚焦后通过成像阵列形成图像,对图像分析得出该平面上的流速分布。标准的CCD设备(如Pulnix9701)的曝光频率是固定的,且较低,即公式(1)中Δt的是固定的,且较大,只能测量流速变化均匀的流场;对于复杂的流场实验,需要采用高速CCD设备(如CA-D6-0512W)。利用下收稿日期:2001-11-05作者简介:孙鹤泉(1973-),男,讲师,主要从事信息技术在海洋工程中的应用研究。·42·PIV的原理与应用
6、孙鹤泉等面提到的互相关分析方法处理实验图像,就能够得到相应的二维流场分布图。3互相关理论为了得到流速分布的细节情况,散播在流场中的示踪粒子的粒径应该非常小、浓度应该足够大,使得采集到的图像对有足够的流场信息。这就很难从两幅图像中分辨同一个粒子,也就无法获得所需的相对位移。而利用互相关分析理[2]论,可以轻松地解决这个问题。从上面的描述得知,图像采集系统获得的每一对图像都是从相同的空间位置上得到的,且曝光的时间间隔可以作为已知参数。流场中的示踪粒子反射来自片光源的光线,每一粒子上反射的光图1PIV实验示意图强信号与其
7、空间位置成单一映射,这就形成光强信号与空间位置的函数映射关系,使用互相关分析方法可以确定两幅图像之间的对应关系。为了讨论方便,假设流场只存在沿水平x轴正向的速度,示踪粒子反射的光强沿x轴的分布为一元函数I(x),图2所示为某一时刻的光强分布。在实验过程中,PIV的测量区域固定不变,宽度为w,与图2中的宽度对应。在t1时刻,第一幅图像采集到图2中(x1,x1+w)的光强信息;经过很小的间隔Δt(即为t2时刻,其中t2=t1+Δt),示踪粒子之间的相对位置和各示踪粒子上反射的光强不发生变化,仅仅是随流场沿x轴正向运动,
8、使得第二幅图像采集到图2中(x2,x2+w)的光强信息,其中x1-x2=Δx。结合图2,不考虑时间参数,并进行原点调整,图2光强沿x轴的分布得到t1时刻与t2时刻的光强分布表达式:f(x)=I(x+x1),s(x)=I(x+x2),0≤x≤w(2)f(x)=s(x)=0,x<0或x>w式中:f(x)为t1时刻的光强信息,s(x)为t2时刻的光强信息。根据互相
