[科普中国]-粒子图像测速

发展背景

湍流、复杂流动、非定常流动等现象一直是流体力学中重要的研究对象及疑难问题，因此开发适于流体运动研究的方法与技术也始终是一个重要的课题。早期发明的热线热膜流速计（HWFA）至今已有80 多年的历史，曾经为流动测量特别是湍流的研究立下过汗马功劳。这项技术的最大缺点是接触式测量，对流场有较大的干扰。20世纪60年代发展起来的激光多普勒测速仪（简称LDV），利用流场中粒子的Mie散射，测量散射光对原入射光的多普勒频移量，计算粒子的运动速度，实现了对流场的无接触测量。这种技术具有极好的时间分辨率和空间分辨力，可做三维测速，已经成为流速测量的标准技术并得到了广泛应用。然而，它和热线流速仪一样，都只是单点测量技术，难以实现对流场的全场、瞬态测量。20世纪80年代发展起来的粒子图像测速技术则是在流动显示的基础上，充分吸收现代计算机技术，光学技术以及图像分析技术的研究成果而成长起来的最新流动测试手段。它不仅能显示流场流动的物理形态，而且能够提供瞬时全场流动的定量信息，使流动可视化研究产生从定性到定量的飞跃。2

定义粒子图像测速技术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。1

粒子图像测速，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。

基本原理在流场中布撒示踪粒子，并用脉冲激光片光源入射到所测流场区域中，通过连续两次或多次曝光，粒子的图像被记录在底片上或CCD相机上。采用光学杨氏条纹法、自相关法或互相关法，逐点处理PIV底片或CC 记录的图像，获得流场速度分布。因采用的记录设备不同，又分别称FPIV（用胶片作记录）和数字式图像测速DPW（用CCD相机作记录）。1

优点粒子图像测速技术的突出优点表现在：（1）是一种非接触式流动测量方法，突破了空间单点测量（如LDV）的局限性，实现了全流场瞬态测量；（2）实现了无扰测量，而用毕托管或HWFV等仪器测量时对流场都有一定的干扰；（3）容易求得流场的其他物理量，由于得到的是全场的速度信息，可方便的运用流体运动方程求解诸如压力场、涡量场等物理信息。因此，该技术在流体测量中占有重要的地位。2

应用粒子图像测速技术作为研究各种复杂流场的一种基本手段，已广泛应用于各种流动中，从定常流动到非定常流动、低速流动到高速流动、单相流动到多相流动，非常适于研究涡流、湍流等复杂的流动结构，也可应用于粒子测速和图像测速等前沿科学等方面。