PIV瞬時(shí)全流場的測量實(shí)驗(yàn)

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1、國家海洋局第二海洋研究所鞏彪進(jìn)修號：JX10009專業(yè)：物理海洋學(xué)PIV瞬時(shí)攪拌槽流場的測量實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙螅毫私釶IV（粒子圖像測速儀）的原理，學(xué)會整個(gè)系統(tǒng)的控制及軟件處理，使學(xué)生接觸目前較先進(jìn)的高端測速技術(shù)。二、實(shí)驗(yàn)裝置：1，PIV組件包括：激光電源、激光器、同步器及圖像處理系統(tǒng)等。（見圖）2，攪拌槽及操作系統(tǒng)一套（見圖）三、PIV基本原理粒子圖像測速儀（ParticleImageVelocimetry,縮寫PIV）屬于一種光學(xué)測速技術(shù),能獲得視場內(nèi)某一瞬間流動(dòng)信息。PIV測速原理是通過測定一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)示蹤粒子移動(dòng)的距離來測定

2、粒子的平均速度。如圖1，脈動(dòng)激光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)形成很薄的片光源。在t1用它照射測試流場形成很薄而明亮的流動(dòng)平面，用垂直該面的高清晰數(shù)碼相機(jī)記錄場內(nèi)流面上的粒子的圖像（圖1）。經(jīng)時(shí)間時(shí)隔Δt的時(shí)刻t2再次用相記拍攝流面上的粒子圖像，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，識別出同一粒子的兩幅照片上的位置，從而測量出該流面上的粒子移動(dòng)距離，故Δt中的粒子移動(dòng)平均速度為：11vx=Δx/Δt,vy=Δy/Δt特別要說明的是，PIV測試是將Δt中的平均速度作為時(shí)刻t瞬時(shí)速度，所以Δt應(yīng)該盡量小，而測量位移量又要求像平面上的粒子圖像不能重疊，要有足夠的位移及分辨，因此Δt不能太

3、小。一般粒子圖像間距離大于兩倍的粒子圖像直徑。另外，位置量不能超查問區(qū)尺寸的1/4，偏離像平面不得超出片光源厚度的1/4，所以Δt必須根據(jù)測量對象的流速合理設(shè)定。PIV系統(tǒng)組成PIV測速包括圖像的拍攝，圖像分析及從中獲得的速度信息，速度場顯示等。1、成像系統(tǒng)（1）激光源：兩臺Yag激光器。用外同步裝置來分別觸發(fā)激光器以產(chǎn)生脈沖，然后再用光學(xué)系統(tǒng)將兩路光永沖合并到一處。脈沖間隔可調(diào)范圍很大，滿足從而實(shí)驗(yàn)低速到高速流動(dòng)的測試.(2)片光源光學(xué)系統(tǒng):光學(xué)元件包括柱面鏡和球面鏡,準(zhǔn)直了的激光束通過柱面鏡后在一個(gè)方向內(nèi)發(fā)散,同時(shí)球面鏡用于控制片光的厚度

4、.(3)記錄裝置:兩臺高分辨率數(shù)字?jǐn)z像機(jī).2、分析顯示系統(tǒng):PIV屬于高成像密度圖像處理，目前采用的是互相關(guān)分析（一種統(tǒng)計(jì)方法）。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，得到需要的各類圖像信息及速度場的顯示。3、同步控制器同步控制系統(tǒng)是整個(gè)PIV系統(tǒng)的控制中心，用于圖像的捕捉及激光脈沖時(shí)序控制，以及實(shí)驗(yàn)外部觸發(fā)等功能。四、操作步驟1．仔細(xì)檢查各連接插頭是否有脫落或松動(dòng)2．開機(jī)：開啟激光電源，預(yù)熱，約二十分鐘后才能觸發(fā)激光；開啟計(jì)算機(jī)；開啟相機(jī)電源3．開啟軟件（DynamicStudio），出現(xiàn)以下窗口1．點(diǎn)擊圖標(biāo)DynamicStudio，打開軟件出現(xiàn)以下界面：11

5、2．新建數(shù)據(jù)：點(diǎn)擊File至NewDatabase，建立新的數(shù)據(jù)庫1．點(diǎn)擊菜單上，連線正常后顯示如下：如果圖中出現(xiàn)異常就檢查硬件上的連接。111．做標(biāo)定：將標(biāo)定板（10CM）放入測量環(huán)境，并軟件上設(shè)置成“SingleFrameMode”,“Numberofimages”11調(diào)為1（即只拍一幅照片）a.點(diǎn)擊“FreeRun”能看到實(shí)時(shí)圖像，點(diǎn)擊Acquire,標(biāo)定板拍照如下圖：保存數(shù)據(jù)：點(diǎn)擊上圖中的“AcquiredData”，進(jìn)行保持?jǐn)?shù)據(jù)的處理。先取文件名，后點(diǎn)擊右上角區(qū)的“SaveinCalibration”。b.標(biāo)定過程：選中“FlowS

6、ense4M”,至菜單“MeasureScaleFactor”，出現(xiàn)以下圖。11將“Absolutedistance”設(shè)置成100，并將紅色的A，B移至標(biāo)定板兩側(cè)端點(diǎn)位置，點(diǎn)擊“OK”確認(rèn)。二維標(biāo)定完成。111．測試過程：a.調(diào)整激光頭至相應(yīng)測量位置，在激光控制器面板中，用內(nèi)觸發(fā)模式觸發(fā)激光，以確定實(shí)驗(yàn)位置。注意：勿必在正式實(shí)驗(yàn)前在攝像機(jī)將加上濾光鏡，以免過強(qiáng)的激光損壞CCD。開至用外觸發(fā)模式，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。軟件設(shè)置如下：用的模式是“DoubleFrameMode”,“Timebetweenpulses”（兩整激光脈沖之間的時(shí)間）設(shè)為3000，“

7、Triggerrate”（每秒7.4組激光脈沖）及“Numberofimages”（脈沖組數(shù)）。b.點(diǎn)擊“Acquire”出現(xiàn)提示對話框。點(diǎn)擊“StartAcquisitionandFireLaser”,激發(fā)激光，軟件的顯示見下圖。11點(diǎn)擊上圖中的“AcquiredData”，進(jìn)行保持?jǐn)?shù)據(jù)的處理。先取文件名，后點(diǎn)擊右上角“SaveinDatabase”下圖是保存過程。保存完后可以點(diǎn)擊回放?，F(xiàn)場實(shí)測圖片：111．?dāng)?shù)據(jù)處理：選中所要處理數(shù)據(jù)，出現(xiàn)下拉菜單，選中“Analyze”出現(xiàn)以下圖，選“PIVSignal”,點(diǎn)“AdaptiveCorrel

8、ation”，點(diǎn)“OK”確認(rèn)，進(jìn)行初步處理。如需深入處理可按此方法進(jìn)行。11五、數(shù)據(jù)處理成果圖：1111