内容发布更新时间 : 2024/11/20 14:36:00星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

粒子图像测速技术（）

．简介

粒子图像测速技术()作为一种全新的无扰、瞬态、全场速度测量方法，在流体力学及空气动力学研究领域具有极高的学术意义和实用价值。

粒子图像测速技术（）是一种用多次摄像以记录流场中粒子的位置，并分析摄得的图像，从而测出流动速度的方法。是流场显示技术的新发展。它是在传统流动显示技术基础上, 利用图形图像处理技术发展起来的一种新的流动测量技术。综合了单点测量技术和显示测量技术的优点, 克服了两种测量技术的弱点而成的, 既具备了单点测量技术的精度和分辨率, 又能获得平面流场显示的整体结构和瞬态图像。

图. 粒子图像测速技术

．的原理

技术原理简单，就是在流场中撤入示踪粒子，以粒子速度代表其所在流场内相应位置处流体的运动速度．应用强光(片形光束)照射流场中的一个测试平面，用成像的方法(照像或摄像)记录下次或多次曝光的粒子位置，用图像分析技术得到各点粒子的位移，由此位移和曝光的时间间隔便可得到流场中各点的流速矢量，并计算出其他运动参量(包括流场速度矢量图、速度分量图、流线图、漩度图等)。因采用的记录设备不同, 又分别称 ( 用胶片作记录) 和数字式图像测速（用相机作记录)。

．系统组成

系统通常由三部分组成, 每一部分的要求都相当严格。

图. 粒子图像测速系统结构

（）直接反映流场流动的示踪粒子。除要满足一般要求( 无毒、无腐蚀、无磨蚀、化学性质稳定、清洁等) 外,还要满足流动跟随性和散光性等要求。要使粒子的流动跟随性好, 就需要粒子的直径较小, 但这会使粒子的散光性降低,不易于成像。因此在选取粒子时需综合考虑各个因素。总之, 粒子选取的原则为: 粒子的密度尽量等于流体的密度,粒子的直径要在保证散射光强的条件下尽可能的小, 一般为拜 量级。常用的示踪粒子有聚苯乙烯、铝、镁、二氧化钦、玻璃球等。柴油机汽缸内气流运动实验研究中, 最常使用的示踪粒子有二氧化钦、铝粉等。在实际实验中, 它们的光散射性不错, 可拍摄到清晰的图像, 但由于其直径和密度太大, 导致其跟随性很差, 不能真实反映缸内气流的实际运动。此外, 固体颗粒进入缸内后有时会粘附在石英玻璃窗口上, 由于光线无法穿过不透明的固体颗粒, 使粒子成像亮度受到影响。并且固体颗粒一般硬度较大, 可能会造成气缸内壁和石英玻璃窗口的磨损。因此只能定期的拆除气缸盖,擦拭窗口, 这会增加许多工作量。

在实验研究中, 还必须考虑粒子浓度问题。当浓度很大时, 粒子像会重叠在一起, 由于激光为干涉光, 所以在底片上会形成激光散斑而不是独立的粒子像。虽然用激光散斑同样可以测取散斑场的位移, 但对于流场而言, 由于散斑场的稳定性较差, 提取散斑场的位移相对地比较困难。当粒子浓度太低时, 粒子对的数目可能太少, 结果将得不到足够多点的流速,也就得不到足够准确的流速分布。 技术中粒子浓度一般为左右( 在查询区域内)，这样使每个查询区中都有足够的粒子对, 能够得到有效的速度结果。

（）成像系统。双脉冲激光片光源、透镜和照相机构成的成像系统。用于照射动态微粒场的片光源由脉冲激光通过透镜形成, 拍摄粒子场照片的相机垂直于片光。曝光脉冲要尽可能的短, 曝光间隔即左能够随流场速度及其分辨率的不

同而进行调节(一般为微秒至毫秒量级) 。片光要尽可能的薄( 以下) , 片光的厚度控制对于二维的来说非常重要，太厚就把三维的速度压入二维, 也就不能如实反应流场的二维分布。曝光时间和曝光能量是一对矛盾。为了把有限的光能量都用于曝光，系统一般采用双脉冲激光器作为光源。一般水中曝光脉冲能量在几十毫焦耳就可以得到理想的曝光图像, 在空气中则要求更高。

（）图像处理系统。图像处理系统用于完成从两次曝光的粒子图像中提取速度场。将粒子图像分成若干查询区(同一小区内的粒子假定有相同的移动速度, 并且作直线运动; 此外, 查询区内的最大粒子位移不能超过查询区的;在片光厚度方向的位移不能超过片光厚度的;平面位移要大于两倍粒子图像直径)，在查询光束的作用下, 利用杨氏条纹法或自相关法逐个处理查询区，得到粒子的移动速度,进而得到速度场分布。在早期的 技术中, 由于两次曝光图像被记录在同一幅胶片上, 所以速度的流向存在。的方向不确定性( 方向二义性)，为得到速度方向, 需要一套复杂的系统。可使用粒子图像预偏置方法或双色技术来处理方向二义性问题)。由于查询系统及其图像处理系统较为复杂, 仪器调节、胶片处理以及数据处理等往往要花费较多的时间, 所以随着数字成像系统及其数字图像处理技术的发展， 技术正在被技术所代替。

．分类

． 按其成像介质

按其成像介质可分为基于模拟介质的( )和基于的( )。

是用照相采集的方法将序列图像记录在胶片或录像带上，然后用光学方法或扫描仪形成数字图像，实现自相关模板匹配运动估值．其优点是模拟介质分辨率高(如普通底片包含有 × 个像素，这样一张×的肖像底片将会有个像素，普通摄像管所能提供的分辨率约为×个像素，较高分辨率的摄像管也不过做到个像素)，可以观测较大的视场，且精度高，图像捕获速度快，可以测量高速流场(马广云，申功圻)但是，由于其成像后的处理时间长，因而无法实现在线应用，成为其不可克服的缺陷．同时由于一般将次或多次曝光成像在同一底片上(单帧多曝光图像)，在图像分析上有速度矢量方向二义性问题，虽已有解决方法，但处理较复杂。