PIV在國內各領域相關研究中應用的探討

童潤中

（北方工業大學 北京 100144）

0 引言

PIV（Particle Image Velocimetry），即粒子圖像測速技術，從20世紀70年代發現的激光散斑測速技術演變而來，在20世紀80年代發展成型[1]。這一技術相比于傳統的煙線法、紋影法等流場測量方法，可以使流體運動的流場測算得到更加準確的結果。

1 PIV基本原理

PIV的基本原理：在流體中加入體積較小的粒子，通過粒子對流體較好的跟隨性對流體的流動進行示蹤，再通過適當的光源和數字相機捕捉粒子實時的流場數據，從而達到粒子圖像測速結果。

現在業界普遍使用的PIV系統都由光源照明系統和圖像采集系統組成，其中光源照明系統是使用雙脈沖激光照射到柱面透鏡上形成片光源，用片光源對流場中的示蹤粒子進行照明，被激光照亮的示蹤粒子由數字相機采集圖像，采集到的瞬時圖像信號再由計算機進行互相關分析處理，最后形成準確的流場數據[2]，其處理過程見圖1。

2 PIV發展歷程

在PIV技術出現之前，人們對于流場的研究主要是通過數據模擬計算以及使用染色法一類的較為粗糙的流場檢測方式進行研究，這導致人們對于流場數據的檢測不夠準確，尤其是在面對復雜三維非定常流場時傳統的檢測方法更是難以將其準確檢測出來。因此，在1984年由Adrian提出的PIV檢測技術具有很大的意義，使人們對于流場數據的檢測水平達到了全新的高度。

經過多年的發展，PIV的圖像采集系統已經由最初的膠片采集系統轉變為現在的CCD相機采集系統[2]，每秒傳輸的圖像幀數最高可達106量級。同時PIV的照明系統也由最初的簡單照明系統逐漸轉變為具有更高的能量輸出和更高的激發頻率的脈沖激光照明系統，這可以實現圖像的清晰高速捕捉。隨著PIV圖像采集系統的逐步升級，其可采集的流場空間范圍由二維拓展到三維，對于三維流場的檢測技術主要分為立體PIV、全息PIV、層析PIV，立體PIV主要是通過多個相機在不同機位對流場進行檢測；全息PIV主要是利用全息底片記錄流場的干涉光和物光而對流場進行檢測；層析PIV主要是在立體PIV的基礎上利用多個相機捕捉流場中多層流動面，而后逐層顯示出流場數據。

現如今，PIV已經廣泛應用于流體力學相關領域，在船舶、航空、機械、土木等方面的研究中都發揮了重要作用，使得研究中對于流體的流場數據有了更加準確的檢測結果，這對于相關領域的發展具有較大的意義。

3 在船舶領域研究的應用

隨著船舶的發展，對船舶相關的流場研究也逐步深入，尤其是對于船舶水下結構和船舶推進器構造等方面的研究，這些研究所涉及的流體運動的流場數據是進行分析計算的關鍵所在，因此PIV技術可以在船舶領域實現較為廣泛的應用。

3.1 客滾船風阻流場的PIV研究

客滾船目前在國內已有很多，客滾船在水上運輸中起到的作用已經越來越大，對于客滾船在運行中所受的風阻不僅影響船體運行的機械效率，也影響船體運行的穩定性。孫寒冰等[3]為了研究客滾船在不同氣流影響下的風阻大小，利用PIV分析了客滾船在不同風速和風向流場分布，得到了縱向、橫向以及水平向的空氣流場數據。在他們的研究中，使用粒徑20 μm的橄欖油分子作為示蹤粒子，使用激光器和柱面透鏡產生片光源，使用風洞產生氣流驅動示蹤粒子運動，使用CCD相機進行圖像捕捉，使用縮比為1∶100的某客滾船模型作為實驗對象，檢測了客滾船模型在不同風向情況下的氣流流場，實驗示意圖見圖2。

通過對PIV檢測得到的流場數據分析發現，當客滾船進行側滑角逐漸由0°變為180°，風阻呈現拋物線變化規律，偏航力矩呈現先正后反的變化規律，并且氣流在船體后側會出現一定的分離渦。

3.2 船艏入水的PIV研究

艦船在海面上長期航行的過程中會有大量海水與船體的相互作用，這些相互作用所產生的液流呈現出明顯的流體規律。佘文軒等[4]為了研究曲率條件復雜的船艏邊界，在入水過程中流場的動態演變及其相關現象的發生機理，使用PIV技術對艦艏下水的動態過程進行圖像捕捉，使用縮比為1∶200的艦艏模型研究了3 600 TEU集裝箱船的艦艏入水過程。在他們的研究中，使用粒徑20 μm的聚酰胺微珠作為示蹤粒子，使用激光器和柱面透鏡產生片光源，使用CCD相機進行圖像捕捉，分別檢測了艦艏在初速度為0.99 m/s和3.33 m/s情況下入水的流場變化過程。

通過對PIV檢測得到的流場數據分析發現，艦艏以0.99 m/s速度入水時加速度變化較慢，過程中會產生一個低速的射流，射流會受艦艏內凹壁面引導產生一個低速的流動鞍點；而以3.33 m/s速度入水時加速度變化較快，會發生兩次較大程度的流體抨擊，過程中會產生一個脫離艦艏內凹壁面的高速射流。

3.3 潛艇水動力的PIV研究

潛艇在水下潛行時受到來自水的阻力是影響潛艇正常運行的重要因素，對潛艇潛行時周身的流場研究可以對潛艇所受的運行阻力進行更加準確的測算，這對于潛艇的改造升級有著巨大的作用。周廣利等[5]為了更清晰地展示《潛艇潛器水動力測試原理與設備》本科課程中潛艇在水中的運行情況，使用PIV技術展示潛艇在水中的流場。在他們的研究中，使用粒徑44 μm的空心玻璃微珠作為示蹤粒子，使用激光器和柱面透鏡產生片光源，使用CCD相機進行圖像捕捉，使用循環水槽產生液流，使用縮比為1∶50的潛艇模型作為實驗對象，展示了潛艇在水中運行的流場變化情況。

通過對潛艇水動力的PIV研究，得到了一定流速下潛艇中縱剖面的瞬態流場速度圖，再將多個瞬態圖進行平均處理可以得到時均流場速度云圖，這對于潛艇水動力的展示更加細致，實現了傳統實驗教學所不能達到的高度。

4 在航空領域研究的應用

航空是人們通過飛行器在地球大氣層進行飛行的活動。在航空工程領域的研究主要在于各種飛行器的研發改造，飛行器的升空航行主要需要依靠對于空氣流體有效掌控，因此利用PIV技術在航空領域對氣體流場的檢測就具有重要意義。

4.1 航空發動機回流燃燒室的PIV研究

燃燒室是航空發動機的核心部件，其內部結構優劣會直接影響到發動機的工作性能。劉濤等[6]為了對航空發動機的回流燃燒室內部冷態流場實現精細化測量，自主搭建了一套內窺式PIV系統對其內部冷態流場進行了流場檢測。這套內窺式PIV系統主要由供氣系統、PIV成像設備、激光器組成。在他們的研究中，使用粒徑2 μm的癸二酸二異辛酯作為示蹤粒子，使用激光器和柱面透鏡產生片光源，使用CCD相機進行圖像捕捉，再通過內窺鏡分別將激光發射孔和相機觀測孔從不同的位置連接至燃燒室的流場檢測區，用來檢測得到回流燃燒室運行時的流場，實驗示意圖見圖3。

經過研究發現，通過內窺鏡對回流燃燒室進行PIV檢測的方案是可行的。PIV系統對回流燃燒室的流場檢測圖像比較清晰，可以達到較高的分辨率，在回流燃燒室內可以觀測到明顯的射流。

4.2 機翼結構流型的PIV研究

機翼是飛行器的關鍵部件，是使飛行器充分轉化空氣動力的重要部分。夏天宇[7]為了改進飛行器中的機翼結構，使其更加符合空氣動力學，使用PIV技術研究了機翼結構的氣流流動特性。在他的研究中，使用丹麥Dantec公司研發的PIV系統進行檢測，使用3D打印的30P30N標準翼型三段翼作為實驗對象，通過針對實驗對象自行修改的激光光路照明，得到了主翼后側、襟翼縫道、襟翼表面的氣流流場數據。

通過對特定機翼結構的PIV研究，發現通過改變激光照明的光路可使PIV系統對于特定機翼結構進行更為清晰的流場顯示，并發現改變襟翼縫道寬度可使機翼更易于飛行器爬升。

4.3 射流管電液伺服閥的PIV研究

射流管電液伺服閥是通過電氣模擬信號調節射流的流量和壓力的設備，廣泛應用于軍用飛機、民航客機、核電、汽輪機等領域。來自中船重工集團的第七〇四研究所的黃增等[8]為了對射流管伺服閥的嘯叫問題進行研究，利用PIV技術對射流管伺服閥中心平面進行流場檢測，得到了射流管電液伺服閥開啟后清晰的閥內流場數據。

他們研究發現，射流管電液伺服閥發生嘯叫的主要原因是閥內接收器腔在液壓進行過程中會產生高速的渦流，進而引起共振導致伺服閥的嘯叫。由此他們改進了射流管電液伺服閥的結構，使用套筒加裝在閥體上，這對于改善伺服閥內部流動和減小伺服閥嘯叫起到了很大作用。

5 在機械領域研究的應用

機械工程是利用物理定律對機械系統進行設計和制造的工程，在機械領域與流體相關的各種設計制造都需要精確考慮流體的流動，PIV技術在機械領域研究的應用可以對相關機械的設計制造提供更為豐富的參考。

5.1 風力機葉尖渦初始渦量值演變規律的PIV研究

風力機是借助風力驅動葉片旋轉的機械裝置，其中的葉片是承載風力轉化的重要部件，風能轉化的機械效率與風力機葉片的結構有直接關系，氣流在葉片旋轉過程中產生的葉尖渦，可使氣流在葉片旋轉過程中保持基本流場。呂文春等[9]對風力機葉片氣流產生的葉尖渦進行了PIV研究，相比于之前的數值計算研究可以得到更加清晰的流場數據，有利于對葉尖渦流場進行更準確的分析。在他們的研究中，使用小型水平軸風力機（葉片是SD2030翼型）作為實驗對象，使用風洞產生氣流，在氣流驅動葉片發生旋轉時檢測葉片的氣流流場，使用CCD相機進行圖像拍攝，得到了在不同風速、風向、葉片轉速情況下葉尖渦渦量的變化情況，實驗示意圖見圖4。

經過研究發現，風力機葉片產生的葉尖渦渦量與風速、風向偏航角、葉片轉速密切相關，葉尖渦初始渦量值隨著葉尖速比的增大而近似呈現遞增規律；當風速和葉片轉速恒定時，葉尖渦初始渦量會隨著偏航角的增大而迅速下降；當風速和偏航角恒定時，葉尖渦初始渦量值會隨著葉片轉速的增大而增大；當偏航角和葉片轉速恒定時，葉尖渦初始渦量會隨著風速的增大而減小。

5.2 全域風空調出風形態的PIV研究

隨著我國經濟水平的不斷提高，空調已經成為眾多家庭里必備的家用電器之一，人們對于空調舒適性的需求日益突出，對于空調出風系統的改進就尤為重要。吳雪良等[10]為了改進傳統空調冷風直吹的問題，專門使用PIV技術對室內空調不同的出風模式進行氣流流場檢測，得到了豐富的氣流流場數據。在他們的研究中，使用醫用石蠟油作為示蹤粒子，使用激光器和柱面透鏡產生片光源，分別使用全域風空調和普通空調作為實驗對象，使用CCD相機進行圖像拍攝，分別檢測了全域風空調和普通空調在不同參數設置下的出風氣流流場。

他們的研究發現，全域風空調相比普通空調，所采用的送風通道初始風速較大、氣流傾斜角度較小，并且可使兩股氣流混合進行送風，這可以避免冷風直吹的同時實現遠距離送風，在不犧牲風量或冷量的情況下提升送風的舒適性。

5.3 仿生鯨尾型攪拌槳反應器流場的PIV研究

攪拌反應器適用于各類液體的攪拌反應，在各種農業、化工、醫藥的應用中發揮了重要的作用。韓定強等[11]自行設計了一種仿生鯨尾型攪拌槳，即WTT攪拌槳，這種攪拌槳與傳統的RT攪拌槳有不同的液體攪拌效果，使用PIV技術對兩種攪拌槳在反應器內攪拌時的流場進行了檢測，得到了各攪拌槳在反應器內的詳細流場數據。在他們的研究中，粒徑44 μm的空心玻璃微珠作為示蹤粒子，使用CCD相機進行圖像拍攝，得到了RT攪拌槳和WTT攪拌槳在不同攪拌速度下的流場數據。

他們經過對流場數據的分析發現，WTT攪拌槳在攪拌過程中徑向速度較大，機械效率更高，可使攪拌的流體實現更充分的混合。

6 在土木領域研究的應用

土木工程是人們為了修建或改造各類土木設施等所進行的工程，其中包括勘察、規劃、設計、施工、安裝和維護等各項技術工作。在進行各項土木工程的技術工作中，有時需要考慮到液流或者氣流對工程結構帶來的影響，這種情況下使用PIV技術對其中的流場進行檢測就可以使得工程的進行更加符合流體力學規律，受到更小的流體影響。

6.1 沖刷狀態下樁土變形機制的PIV研究

樁土是用于固定土木設施的重要基礎，通常深埋于地下，需要包括承擔地上土木結構的垂直荷載，以及風、波浪、撞擊等因素造成的水平荷載。楊曉峰等[12]為了研究沖刷狀態下樁土的變形機制，使用PIV技術對模擬的細沙樁土進行分析，得到了細沙樁土在沖刷狀態下發生變形的詳細流場數據。在他們的研究中，使用自制的模型箱作為樁土床裝容器，使用粒徑為1.1 mm的細沙樁土顆粒作為示蹤粒子，分別使用直徑為20 mm和50 mm的半圓柱作為模型樁放置于細沙樁土中，使用CCD相機進行圖像拍攝，得到了在不同沖刷條件下的樁土水平變形數據。

他們經過研究發現，當樁土鋪設完成并安裝好樁體后，受到水平方向的荷載時，其土體位移和剪切應變方向是朝樁體半徑方向和深度方向逐漸發展的。

6.2 階梯形丁壩水流結構的PIV研究

階梯型丁壩在航道整治工程中有著巨大的作用，相比于單式斷面丁壩，可利用各級臺階分散壩頭的集中繞流，使局部沖坑深度減小的同時保持壩頭穩定。王世鵬等[13]就階梯型丁壩的水流結構進行了PIV研究，得到了水流流經階梯型丁壩的詳細流場數據。在他們的研究中，使用自制水槽模擬階梯型丁壩，使用激光器和柱面透鏡產生片光源，使用CMOS相機進行圖像捕捉，得到了階梯型丁壩中水流的流速、雷諾應力、紊動強度、紊動能等相關參數。

他們經過研究發現，當水流流經階梯型丁壩時可以在縱剖面劃分出順流區、回流區、過渡區，順流區在上側，過渡區和回流區在下側，各區縱向時均流速總體相似，其他相關參數各有不同。

7 PIV的未來發展趨勢

目前PIV技術已經比較成熟，在很多領域都可以檢測得到較為詳細的流場數據，為了使PIV技術能得到更廣泛的應用，還需要在圖像捕捉和圖像分析上進行進一步的提高。

在圖像捕捉方面，可以從多個不同方位進行PIV圖像捕捉。段雙成等[14]為了實現更加準確的PIV探測，使用了3臺CCD相機對水流直管進行圖像捕捉，并使用層析技術對流場進行逐層圖像捕捉，使得捕捉得到的流場數據更加立體化，實現了三機位層析PIV的技術突破。

在圖像分析方面，可以使用深度學習對PIV圖像進行分析修復，覃子宇等[15]為了使PIV檢測得到的燃燒室內流場圖像更加清晰，使用深入學習的技術對圖像進行了異常檢測，并通過卷積神經網絡進行自適應修復，使流場可以更清晰地顯示出速度數值。此外，還有鄧志文等[16]就PIV系統中所產生的誤差推導出了誤差分布規律函數，再通過將其與連續伴隨算法耦合，可以優化算法的目標損失函數并提高抗誤差干擾能力。

8 結語

綜上所述，PIV作為流體力學普遍使用的流場檢測技術，已經在船舶、航空、土木、機械、生物、土木等諸多領域體現了價值。隨著激光照明技術和相機成像技術的日益成熟，PIV在流場的檢測精度、檢測范圍和檢測方式上都已經達到了較高水平，對于不同類別、不同形態的流體都可以實現有效檢測，包括氣體、液體和細沙流體都可以檢測得到詳細的流場數據。而且PIV也不僅限于使用相機鏡頭進行流場檢測，還可以使用內窺鏡進行檢測，這使得PIV可以檢測的對象更加豐富。未來隨著PIV技術的進一步市場化，應用領域會進一步增多，很多未曾預見到的應用價值都將逐步顯現。