piv技術(shù)中的示蹤粒子發(fā)生和布撤

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1、維普資訊http://www.cqvip.com第22卷第4期氣動(dòng)研究與實(shí)驗(yàn)Vo1．22，No．42005年12月AERODYNAMICRESE八RCH＆E)Ⅱ'ERIMl：NTD≤c．．2005PIV技術(shù)中的示蹤粒子發(fā)生和布撤肖亞克賈元?jiǎng)購(gòu)埿㈤κY甲利馬洪志(哈爾濱150001)摘要示蹤粒子發(fā)生和布撒，是粒子圖像測(cè)速(PⅣ)技術(shù)的重要組成部分，是影響速度測(cè)量質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)介紹PIV技術(shù)對(duì)其示蹤粒子的基本要求和示蹤粒子發(fā)生、布撒裝置．介紹在風(fēng)洞PⅣ測(cè)量中，示蹤粒子發(fā)生、布撒的方式、方法及作者得到的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)扣切身體會(huì)以及對(duì)避一步提高風(fēng)洞PIV測(cè)量中示蹤粒子發(fā)

2、生、布撒質(zhì)量的見解。關(guān)鍵詞粒子圖像測(cè)速示蹤粒子發(fā)生布撒風(fēng)洞0引言粒子圖像測(cè)速(Pa~dcleImageVelodmetry)技術(shù)簡(jiǎn)稱PIV，它突破傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量限制，可瞬時(shí)無(wú)接觸測(cè)量流場(chǎng)中一個(gè)截面上的二維速度分布，并且有較高的測(cè)量精度。PIV技術(shù)廣泛地應(yīng)用在氣流和水流的流體力學(xué)研究中。將PIV技術(shù)運(yùn)用予現(xiàn)代宅氣動(dòng)力學(xué)中，它可以幫助人們了解非定常流動(dòng)的現(xiàn)象，例如大迎角下的分離流動(dòng)。PIV可以在很短的時(shí)間內(nèi)，能在空間上分辨瞬時(shí)速度場(chǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，還可以檢測(cè)流場(chǎng)(速度場(chǎng))中的大尺度和小尺度空f(shuō)Hj結(jié)構(gòu)。PW可以提供合適的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證，以確定數(shù)值計(jì)

3、算對(duì)物理問(wèn)題的模擬是否正確。近來(lái)，PI-V已經(jīng)成為空氣動(dòng)力學(xué)研究的常規(guī)工具。1PⅣ技術(shù)概述PIV測(cè)最的基本原理是：在流場(chǎng)中布撒示蹤粒子，并用脈沖激光片光光源入射到所測(cè)維普資訊http://www.cqvip.com第4期PIV技術(shù)中的示蹤粒子發(fā)生和布撤9流場(chǎng)區(qū)域中．通過(guò)兩次或多次曝光由CCD或照像設(shè)備將流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)粒子圖像記錄_F來(lái)，采用光學(xué)楊氏條紋法、自相關(guān)法或互相關(guān)法逐點(diǎn)處理圖像，獲得流場(chǎng)速度分布。其速度是：五=△互／At=i一未。l／t2一tl(1)=未Ii2一未“／M(t2-t1)(2)式中△t為時(shí)間間隔；t。為第一次曝光時(shí)間；t：為第二次曝光時(shí)間

4、；。和為某?粒子的空間位置；M為放大率，是觀測(cè)流場(chǎng)區(qū)域S(z，)和成像平面S，()之比(M=~／SF／Sy=LF，￡)一般M<1。PⅣ系統(tǒng)由以下三大部分構(gòu)成：l照明流場(chǎng)的多次曝光光源及其片光形成設(shè)備；2粒子圖像的記錄裝置，粒子圖像的判讀方法和設(shè)備及其相應(yīng)軟件；3示蹤粒子發(fā)生裝置和其布撤技術(shù)。奪文講述示蹤粒子發(fā)生及其布撒技術(shù)。中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院從美國(guó)TSI公司進(jìn)口了一整套PⅣ設(shè)備，包括200~i雙YAG脈沖激光器及其片光形成系統(tǒng)；CCD攝錄像系統(tǒng)和全套數(shù)據(jù)及圖像處理軟件。測(cè)速范圍0．1cnv's～1000m／s；激光片光波長(zhǎng)=532nm，激光倍頻前

5、天=1064~un；激光片光光腰厚度△z=2mm；測(cè)量最大確效截面積為：800ramX800ram；測(cè)量最小有效截面積為：10mmX10rnm。該套PW系統(tǒng)沒(méi)有引進(jìn)示蹤粒子發(fā)生布撒設(shè)備，由空氣動(dòng)力研究院自行研制并與其配套。如果在流場(chǎng)測(cè)速試驗(yàn)中，自行研制的示蹤粒子發(fā)生器和其布撒技術(shù)不能與進(jìn)口的PIV設(shè)備完美匹配，那么該P(yáng)!V設(shè)備的工作能力和測(cè)量效果將大打折扣，將不能充分發(fā)揮其優(yōu)良性能，甚至測(cè)量不到應(yīng)該得到的流場(chǎng)速度數(shù)據(jù)和圖像。特別是示蹤粒子的布撒技術(shù)，對(duì)每一次被測(cè)對(duì)象的不同，其測(cè)量的要求也不同，相應(yīng)的布撒技術(shù)要作各種各樣繁雜的變化和新的設(shè)計(jì)安排，_才能測(cè)量

6、到要求區(qū)域的速度分布數(shù)據(jù)。2示蹤粒子的發(fā)生PIV技術(shù)是非直接測(cè)量，它測(cè)量的是粒予速度而不是濾場(chǎng)速度。因此，必須對(duì)粒予流體力學(xué)特性進(jìn)行考查，以免出現(xiàn)粒子與流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)問(wèn)的顯著差異。首先，要求示蹤粒子無(wú)毒、無(wú)腐蝕、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定和清潔。這是使工作人員和工作場(chǎng)地及設(shè)備不受侵害的基本保證。其次，對(duì)PⅣ示蹤粒子還有兩個(gè)基本要求：第一，粒予跟隨流體的流動(dòng)性好；第二，粒子應(yīng)是良好的散射體，其成像可見性好。這是使P1V測(cè)量真實(shí)、可靠的基本保證。維普資訊http://www.cqvip.com10PIV技術(shù)中的示蹤粒子發(fā)生fn-~i撒第4期2．1粒子的流動(dòng)跟隨性【l拉：在一定條

7、件下可用BBO方程描述粒子跟隨流體的動(dòng)力學(xué)特性，其簡(jiǎn)化方程為：／／,P=／／'F(1一e)=／／,F(1一e)(3)r，：Ilk：。do2118IZ(4)式中下標(biāo)P和F分別代表粒子和流體；為粘性系數(shù)；d為粒子直徑；c為密度；T為時(shí)滯時(shí)問(wèn)常數(shù)．越小其粒子跟隨性越好。在位移和運(yùn)動(dòng)中，粒子與流體存在一定誤差￡I“P—ILFf=e(5)原則上為保證PIV測(cè)量的準(zhǔn)確度，￡應(yīng)越小越好。由計(jì)算公式可見粒子應(yīng)越小越好，粒子密度要盡可能與流體密度一致為好(否則不僅跟隨性差，而且在重力中存在沉浮速度等問(wèn)題)。2．2粒子的成像可見性·．3．引：?？梢娦允鞘芏喾N因素影響的特性。

8、在入射光(單色光)照射下，對(duì)于粒子直徑0．I一100ttm范圍內(nèi)，其粒子的散射光