PIV技術(shù)的原理及其應(yīng)用領(lǐng)域

利用粒子圖像的高密度分布模式獲取網(wǎng)格點(diǎn)速度的方法被稱為粒子成像測(cè)速(PIV)，用于跟蹤低粒子數(shù)密度的每個(gè)粒子的方法被稱為粒子跟蹤測(cè)速(簡(jiǎn)稱PTV)。

粒子識(shí)別是PIV的主要難點(diǎn)，高精度的測(cè)量需要在測(cè)量流場(chǎng)中有足夠數(shù)量的粒子。如果流體在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜的，例如在高速或強(qiáng)旋轉(zhuǎn)的情況下，很難識(shí)別連續(xù)圖像幀中的每個(gè)粒子。

PIV沒有標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量系統(tǒng)，每種類型的PIV都需要安裝硬件和軟件來測(cè)量流場(chǎng)。盡管現(xiàn)在應(yīng)用了許多類型的PIV，但它們?nèi)匀挥幸恍┩ㄓ昧鞒?。PIV測(cè)量包括四個(gè)階段：①釋放粒子，②照明，③拍攝和④圖像處理。為了精確的PIV測(cè)量，每個(gè)階段都應(yīng)該在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中嚴(yán)格執(zhí)行。

PIV測(cè)量的階段詳細(xì)如下：①釋放粒子：當(dāng)粒子具有良好的流體流動(dòng)可追溯性行為時(shí)，粒子速度通常表示局部流體速度。②照明：在二維PIV測(cè)量中，光散射示蹤粒子的流場(chǎng)由一個(gè)均勻的光片照亮，通常來說光源是由三角棱鏡和圓柱透鏡引導(dǎo)的激光，光板的厚度約為1~2mm，并調(diào)整光強(qiáng)，使示蹤粒子可以清晰被拍到。③拍攝：要執(zhí)行 PIV 分析，需要從流場(chǎng)中對(duì)相機(jī)進(jìn)行兩次激光曝光。起初，由于攝像機(jī)無(wú)法高速捕獲多個(gè)幀，因此在同一幀上捕獲了兩個(gè)曝光，并且此單個(gè)幀用于確定流量。此分析使用了稱為自相關(guān)的過程。然而，由于自相關(guān)流的方向變得不清楚，因?yàn)椴磺宄男┝Ｗ狱c(diǎn)來自第一個(gè)脈沖，哪些粒子點(diǎn)來自第二個(gè)脈沖。自那時(shí)以來，開發(fā)了使用CCD或CMOS芯片的更快的數(shù)碼相機(jī)，可以高速捕獲兩幀，幀之間只有幾百 ns 的差異。這使得每個(gè)暴露都能夠在其自己的框架上隔離，以進(jìn)行更準(zhǔn)確的交叉相關(guān)分析。④圖像處理：圖像處理是PIV測(cè)量中較重要的階段。首先，記錄粒子運(yùn)動(dòng)的圖像被傳輸?shù)紸/D轉(zhuǎn)換器以獲得數(shù)字圖像。然后，對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行處理。處理包括去除噪聲，平滑，將灰度圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像，標(biāo)記粒子，計(jì)算粒子的重心坐標(biāo)。然后，將粒子的坐標(biāo)從圖像平面轉(zhuǎn)移到物理平面。然后，用各種方法計(jì)算粒子速度矢量。

由于其強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，PIV技術(shù)已被公認(rèn)為較先進(jìn)的流動(dòng)測(cè)速技術(shù)，并在世界范圍內(nèi)迅速普及。應(yīng)用領(lǐng)域一直在擴(kuò)大，如湍流測(cè)量，多相流，流體機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)，生物工程，醫(yī)學(xué)工程，環(huán)境工程，能源工程，新材料開發(fā)，體育科學(xué)，生命科學(xué)，機(jī)電一體化，機(jī)器人技術(shù)等。此外，PIV已被認(rèn)為是包括多相流在內(nèi)的熱工和流體工程領(lǐng)域的一種強(qiáng)有力的新測(cè)量工具，并且，PIV的應(yīng)用擴(kuò)展到確定二維和三維兩相流體流動(dòng)中的速度場(chǎng)。因此，PIV是研究流動(dòng)結(jié)構(gòu)的一種有前途和強(qiáng)大的工具。

【來源：光虎光學(xué)內(nèi)部培訓(xùn)資料】