PIV技術的應用與發展

孔維波

(蘭州交通大學 環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070)

PIV(粒子圖像測速)技術是一種建立在圖像互相關分析基礎上的現代流場測量技術。該技術綜合了顯示測量技術和單點測量技術的優點，在能夠顯示所測流場整體結構的同時又保證了測量的分辨率和精度。它能夠在對流場不產生任何干擾的前提下，實現對流場瞬態的測量，并且具有非常高的分辨率和精度，目前已成為流場測量實驗中應用最為廣泛的技術之一。

1 PIV技術的發展

PIV技術是20世紀80年代發展起來流體力學測速方法。近些年來，隨著計算機技術、芯片技術、激光技術等多種技術的飛快發展，PIV技術越來越成熟，應用也越來越廣泛，現已成為研究湍流、渦流等復雜流動結構的有力工具[1]。PIV從原理發展成為一種實用的技術首先要歸功于Keane和Adrian所做出的貢獻。Keane[2]等人利用自相關分析的詢問結果來研究無量綱參數。Adrian[3]等人通過對PIV最佳參數的研究，消除了互相關詢問中的信號偏差。Lawson[4]等人提出了將雙脈沖PIV技術應用到高速流流場測量的理論。后來隨著CMOS相機在PIV技術中的應用，數字高頻 PIV 系統也應運而生。現如今三維粒子圖像測速技術發展迅速，比如像多平面粒子圖像測速(MPPIV)、立體粒子圖像測速(SPIV)、掃描平面粒子圖像測速(SPPIV)、層析粒子圖像測速(TPIV)和全息粒子圖像測速(HPIV)等多種粒子圖像技術的應用也越來越廣泛。

2 PIV系統的組成

PIV測量系統主要包括光源系統、PIV同步系統、圖像拍攝系統以及圖像分析系統四部分[5]，其各部分示意圖見圖1。

圖1 PIV系統各部分示意圖

2.1 光源系統

PIV技術測量流場時，首先要投入一定量示蹤粒子，要求該示蹤粒子不會對流場產生任何干擾，且保證較好的散光性和跟隨性。然后利用亮度較高的片光源將需要測量的流場照亮，以便于圖像拍攝系統對該部分流場進行圖像采集。同時還要確保不需要采集圖像的流場區域處于黑暗狀態。

2.2 圖像采集系統

圖像采集系統主要包括透鏡、高速相機以及激光片光源三部分。在采集圖像時需要確保激光和高速相機處于相互垂直的位置上。同時采集圖像的時間間隔需要根據具體的測量條件來確定，但是在滿足實際測量情況的條件要盡可能地使激光發射的片光薄、曝光脈沖短，這樣有利于測量結果的準確性。

2.3 PIV同步系統

PIV同步系統是控制高速相機和激光器協調運作的裝置。在PIV技術用于測量流場時，其圖像拍攝往往是在很短的時間內完成的，所以必須要確保在光源系統照亮待測流場的瞬間，高速相機要同時啟動儀完成圖像的采集。除此之外，PIV同步系統還具有控制高速相機采集圖像的幀數、激光器的脈沖時間間隔等功能。

2.4 圖像分析處理系統

圖像分析處理系統是用來從兩次曝光的粒子圖像中提取所測流場的速度場數據。通過圖像分析處理系統對高速相機拍攝到的粒子圖像進行互相關分析，可以確定粒子的運動速度，進而得到所測流場的速度分布。除此之外，圖像分析處理軟件還具有圖像剪輯、圖像后處理、標定模塊等功能。

3 PIV測量原理

PIV流場測量的原理是先在流場中投入一定量的示蹤粒子，要求該示蹤粒子要有良好的跟隨性和散射性，并且不會對流場產生任何干擾，然后利用相機對流場測量區域連續拍照兩次，同時得到兩張所測區域的粒子圖像，經圖像的互相關分析，確定示蹤粒子在兩次拍照的時間間隔△t內的位移，再通過計算得到粒子的速度，最后批量處理，以獲得整個拍攝流場區域的速度分布矢量圖。

4 PIV技術在流場測量中的應用

隨著計算機技術、激光技術以及圖像處理技術的快速發展，PIV技術也越來越先進，使得其在許多復雜流動領域中的應用也越來越多。張振揚[6]等通過PIV技術測量了柴油機缸蓋水套內的流場，并通過互相關分析了得到了該流場不同截面上的速度場、渦量場和湍流度等流動信息，對進一步研究柴油機缸蓋水套內流場的結構，揭示冷卻液的流動機理有著重要的意義；胡鋒平[7]等將PIV技術應用于絮體檢測，獲得了粒度、分形維數等表征絮體特征的特性參數，反映了水力條件對混凝結果的影響；陳凱霖[8]等利用PIV技術觀測明槽交匯區的水流結構，對干、支流交匯流場的研究具有重要的意義；李春麗[9]等利用PIV技術對浸沒式膜生物反應器內近膜面的液相流場動力學特性進行了研究，得到膜面附近的液相流場數據以及液相流的渦量特性，其研究結果為膜生物反應器系統的優化設計提供了研究經驗和實驗數據；王小兵[10]等利用PIV技術對雙切向入口雙錐水力旋流器內部流體流動的全流場進行了測量，對揭示水力旋流器內部流體流動特性作出了一定的貢獻。

5 PIV技術的發展前景

二維PIV近幾年來主要向著高頻率、高精度的方向發展。除此之外，多相流PIV和微PIV也逐漸發展成熟。多相流PIV主要是應用于多相流動的測量，其主要思路是先將多相轉化為單相，再利用已有技術分別對單相粒子圖像進行處理，同樣地，微PIV主要用于微小尺度流動下的流場測量,比如像關于微機械系統、生物芯片或者微機械系統等的研究。其原理和普通PIV基本相同,但在粒子布撒、流場照明方式以及圖像獲取等方面存在著較大差別。除此之外，在PIV技術出現以來，三維PIV一直是研究的重點方向，目前學者們也已提出了多種途徑來實現三維流場的測量，而且三維PIV技術也已逐漸應用于科學研究。三維PIV技術的逐步推廣，對諸如非定常、非周期性三維流動研究具有重要現實意義。