基于粒子成像的水下流速场探测方法的研究（可编辑）

基于粒子成像的水下流速场探测方法的研究（可编辑） 基于粒子成像的水下流速场探测方法的研究 分类号 学号 D200877574学校代码10487 密 级博士学位论文 基于粒子成像的水下流速场 探测方法的研究 学位申请人: 何慧灵 学科专业: 光学 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 指导教师: 杨克成 教授 答辩日期: 2012.5.26A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy in EngineeringResearch of the Detection method for the Velocity Field Underwater Based on Particle Image Velocimetry Ph. D. Candidate : He HuilingMajor : Optical Engineering Supervisor : Prof. Yang Kecheng Co-Supervisor : Huazhong University of Science & Technology Wuhan 430074, P. R. ChinaMay, 2012独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究 成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名: 日期: 年 月 日学位论文版权使用 授权书 网站备案授权书下载肖像授权书文档下载肖像授权书下载歌曲授权书模板下载销售授权书免费下载 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 ,即:学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索, 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密?,在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密?。 (请在以上方框内打“?”) 学位论文作者签名:指导教师签名: 日期:年 月 日 日期: 年 月 日华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 摘 要 水下成像目前已成为水下探测的一种常用手段。湍流作为一种重要的流动现象成为 影响激光水下成像的重要因素。因此需要了解湍流场,掌握其流动特性才能进行相应 的后续工作。为实现该目的,本论文通过粒子成像技术完成了对水下湍流流速场的测 量。 粒子成像测量技术的工作原理是用激光薄片照亮流场中一个与流场流速平行的平 面,在与激光面垂直方向上拍摄两个时刻流场中流动粒子的图像,对粒子图像进行处 理就可以得到流场中的速度场分布。根据其工作原理,本论文从示踪粒子的选择、待 测流场的建立、实验系统的选型和搭建及粒子图像处理四个部分进行了论述。 流场中加入的示踪粒子是正确反映流场流速的重要因素。本论文讨论了示踪粒子的 跟随性和光散射特性。微小气泡作为无污染的微粒在本实验中做为示踪粒子添加到水 体中,通过探测气泡的运动从而反映水体的流动。通过对两相流的模拟,计算了不同 流速下不同直径的气泡的跟随性。 本论文提出了符合湍流条件的新的气泡模型-椭球模型并采用该模型对气泡的光散 射进行了研究。在平面波入射的情况下,采用几何光学近似的方法计算了大尺寸气泡 的光散射特性。其计算结果符合 Mie 散射理论的结果。同时分析了激光入射时,高斯 光束照射下球形气泡的光散射分布。采用类似的方法计算得到的散射分布与扩展米散 射理论进行了比较,通过各阶散射光强的分布与 Debye 序列的比较分析了产生差异的 原因。本论文建立了实验用待测湍流场。采用可实现 κ - ε 模型对两种结构简单的湍流场圆 柱绕流模型和管道流动模型进行了二维模拟分析。选用了管道流动做为实验室流场模 型。根据产生湍流场的条件,设计待测湍流场,并根据设计要求对各组件选件并组成 了实验用待测流场。本论文搭建整个粒子成像测量系统。根据流场的流速设计及相关要求,对激光器、 扩束光路、成像光路及图像记录元件进行选件。搭建光路,选取双帧单曝光的方式记 录流场粒子图像。I华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 本论文对粒子图像对采用相关运算并得到了视场范围内的流场速度矢量分 布图。考 虑 CCD的背景噪声,对粒子图像做了降噪及增强处理。选用合适的问询区, 对两幅图 像对应的区域做互相关运算,得到该区域的流速矢量。依次探询并得到整个 图像的流 速矢量分布。关键词:粒子成像水下湍流椭球气泡散射特性流场测量II华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 Abstract Image underwater is a useful technique in the detection underwater. The turbulence as an important flow phenomena becomes an important factor for the laser imaging underwater. It is necessary to find out the properties of the turbulent flow. Aimed at this purpose, the thesis implemented measurement of the turbulent velocity field underwater using particle image velocimetryPIVThe principle of PIV is described as followed: A laser sheet illuminates a plane of the flow field , and the images of the fields are recorded in the perpendicular direction at two different times. Then velocity distribution of the flow field has been achieved using image processing. Based on the working principle, the thesis includes four parts: the selection of the tracer particles, the construction of the measured flow field, the establishment of the whole PIV system and the image processing of particle imagesThe tracer particles seeding in the flow fields is an important factor to accurately measure the fluid velocity. The optical scattering and following properties of seeding particles are discussed. The small bubbles as non-polluting particles are seeded into the water in these experiments. The velocity of the flow field can be achieved with the measurement of the bubbles motion. Through the simulation of two phase flow, the following properties of the bubbles with different diameters are calculated in different flow velocitiesThe thesis proposes a new spheroidal model to simulate the bubble’s shape in the turbulent flow to research the optical properties of a bubble. With the plane wave incidence, the scattering distribution of the bubble is calculated by the geometrical optics approximation GOA. The algorithm is verified using the Mie results for a spherical bubble, and the scattering patterns of the two methods agree well. The scattering properties of the spherical bubble with the Gaussian incidence are also calculated. The results of GOA and GLMTGeneralized Lorenz-Mie Theory are compared, the scattering intensity distribution of different p orders rays are analyzed with Debye series in order to explain the differences between the two resultsThe measured turbulence flow is constructed in this thesis. Using the RKErealizedIII华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 κε - model, two flow fields, including the flow around cylinder and the pipe flow, are simulated. The latter one is selected in the experiment. Based on the conditions of produceing turbulence, the equipments of the measured flow are designed and chosen, and the measured flow field in experiment is achieved The whole PIV system is established in this thesis. Based on the demands of velocity of flow and other corresponding conditions, the instruments of the laser, laser sheet optics, imaging optical path and image recordings are selected and assembled. The experiments are fulfilled and the images are achieved using the single frame-double exposed recordingThe pairs of particle images are calculated using the correlation algorithm to obtain the velocity vectorgraph of flow in the field of view. Considering the background noise of CCD, the particles images are reduced noise and enhanced. With the suitable interrogation windows, the images are processing using the cross-correlation in the corresponding grids to calculating the velocity of flow in this region. Then we yield the whole by analyze the image pairs point-by-point Key words: particle imageturbulent underwaterspheroidal bubble scattering propertyflow measurementIV华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 目 录 摘 要.I AbstractIII 1 概论 1.1 水下湍流的研究意义..2 1.2 水下湍流的研究现状..3 1.3 流场测速的意义.5 1.4 流场测速的研究现状..6 1.5 PIV的发展历史和研究现状9 1.6 PIV对气泡流的研究.12 1.7 本论文研究内容..13 2 PIV测量原理 2.1 基本测量原理16 2.2 示踪粒子..17 2.3 光源及扩束系统..24 2.4 微粒成像..27 2.5 图像记录及处理..29 2.6 本章小结..31 3 基于几何光学的气泡光散射分布的计算 3.1 水中气泡散射特性研究历史及现状32 3.2 椭球颗粒的散射特性研究.33 3.3 椭球形气泡光散射分布计算35 3.4 高斯光束下的球形气泡光散射计算48 3.5 本章小结..53V华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 4 基于 PIV 的水下湍流实验系统的建立 4.1 粒子成像系统的总体设计.55 4.2 水下湍流模型仿真.56 4.3 湍流环境的建立..58 4.4 粒子成像系统实验装置的选型..63 4.5 湍流场测试实验..70 4.6 本章小结..73 5 湍流场实验图像分析 5.1 湍流场粒子图像分析方法.75 5.2 双帧单曝光图像的互相关分析..77 5.3 CCD随机噪声及测量评估79 5.4 粒子图像预处理..80 5.5 流场速度分布图分析84 5.6 本章小结..87 6 全文总结及后续工作展望..88 致 谢..91 参考文献.92 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录102 VI华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 概论 湍流是海洋湖泊中普遍存在的一种海水密度、浓度具有局部非均匀分布的特 殊区 域,湍流的尺度从毫米量级到数十千米量级广泛分布。湍流的成因很复杂, 风应力 对海洋表层的作用,海底对海流、特别是潮流的摩擦效应,以及因水平压力的不均 匀会导致海流铅直湍流。而作用于海洋表层的风应力在水平方向不均匀,海岸边界 对海水的侧向摩擦效应,以及存在于海流内部或相邻的海流之间的水平流速切变会 导致水平湍流。甚至各种水生物或者水下潜器在水体中进行高速运动,也会引发湍 [1, 2] 流 。 湍流作为一种重要的流体流动现象,围绕其物理特性及影响展开了大量丰富的研 [3-10] 究。目前已有很多针对大气湍流的研究 。根据现有的各种湍流模型结合实地环 境参数的数值计算,比较实测数据与仿真结果,进而得到适用于当地环境的湍流模 型。除了对大气湍流本身的研究之外,其对大气通讯的影响也是大气湍流研究的方 向之一。大气湍流闪烁效应对激光通信系统,包括各段波长的光通信、光学系统图 [11-13] 像分辨率和光电探测器性能的影响是近十几年的研究热点 。而对水下湍流的研 [14-20] 究主要集中在理论研究上,应用已有的湍流模型结合实际的边界条件进行仿真 。 海洋湍流模型是水下湍流理论的重要组成部分。湍流混合过程的复杂性使得海洋湍 流模型区别于普通水体的湍流模型。因为在实验水体中,我们很难重现海洋中特有 的复杂现象,如:层流,内外波等。 随着实验方法和计算机技术的发展,通过实验研究湍流获得很大进展。粒子成像 技术由于其非介入的优点,广泛应用于流体流动(不仅限于湍流)测量中。在生物 医学上,粒子成像与散斑技术共同应用于对血液、体液等流动的测量,从而反映生 物体及人造脏器的健康状况。在航天中,对高空垂直气流、飞行器的涡旋流动和超 音速气流及风洞的监测,粒子成像速度计被广泛应用。在工业上,燃烧、热涡轮机 组中的空气热量流动都可通过粒子成像的方法进行监测。在航海中,在实验船池中 对舰船边缘及尾部涡轮产生的湍流进行测量,从而对舰船及涡轮动力进行改进。因 此,粒子成像的流场测量方法对各种科学研究和工业应用有着十分重要的意义。1华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1.1 水下湍流的研究意义 湍流是一种高频随机的运动, 海洋湖泊水体的运动大多呈现湍流这种复杂的流动 形式。在真实海洋环境中,湍流成为影响激光水下成像距离和像质的重要因素。通过 对在湖泊自然水体中成像探测结果进行像质分析,并与实验船池中静态水体成像结果 比较,发现使用相同探测设备,在水体光学特性基本一致的条件下,自然水体条件下 成像获得图像的像质与静态水体有着巨大差异,而且无法用传统的像质分析理论来解 释。因此,有必要对此进行深入的研究。 湍流对成像质量的影响集中在光场往返的两次传输过程中,当发射光束经过湍流区 域时,湍流区域内由局部水体密度非均匀分布导致的折射率结构性随机分布,会引发 从不同位置穿过湍流的探测光前进方向的变化,昀终影响被测目标上的照度分布;另 一方面被测目标反射的光再次透过湍流传输。 目前对像质的研究方法主要分为两类。第一类方法是通过获得探测系统与目标之 间的水体的调制传递函数MTF,形成完整的水下成像探测系统光学传递函数,再通过 光学传递函数与被测目标发出的冲击函数的卷积计算系统冲击响应,并以此为依据分 析目标图像的对比度、空间分辨率等一系列像质因素,从而间接的研究图像质量退化 等现象。第二类方法是图像仿真方法,这种方法要求首先建立探测光和目标反射光在 水体中的传输模型以及目标反射特性模型,并设置水下目标上的照度分布,对被探测 目标表面每一个微面元按照照度分布和反射特性模型来抽样生成若干携带目标信息的 光子,通过蒙特卡罗方法追踪光子在水体中的传输,直至光子被探测系统接收到,昀 后对接收到的所有光子的统计获得图像仿真结果。随着计算机技术突飞猛进的发展, [21, 22] 这一方法越来越多地被应用到水下成像的像质研究中 。但现有的图像仿真模型只 能针对静态水体,而无法针对具有湍流区域的海洋环境展开研究。因此需要把湍流模 型引入到图像仿真的理论研究中。 从理论上,我们可以通过流场模拟得到湍流场的光学特性,再基于某种算法(如光 学追迹)对像质进行评价。但理论结果是否正确,需要通过实验验证。我们需要了解 实际湍流流场的物理特性分布,比如流速、压力分布。把这些物理特性转化为光学相 2华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 关特性(如折射率),然后比较经过湍流的实际像与模拟像,不断改进和完善湍流像质 评价算法。 1.2 水下湍流的研究现状 在 1970年代,统计湍流封闭形式由众多科学研究者简明阐述过。当时,复杂的湍 流形式主要用于计算流体动力学的模型问题。对其技术上和工程应用上的局限问题有 些争论:清晰明确的模型使用范围及动力,复杂物理特性的适用性,如非静水压力 non-hydrostatic pressure,更大的计算消耗。除了技术和工程应用外,高阶湍流封闭形 [23] 式越来越多的应用到大气科学上,如 Mellor 和 Yamada 的著名文章。气象研究对天 气预报的准确性要求对湍流封闭模型提出了更高的要求。然而对海洋学,复杂的湍流 [24] 模型引入较晚,如 Rosati 和 Miyakoda 。其原因是简单的大体积模型(simple bulk models)或长度规参数场(length scale parametrisations)与湍流封闭模型关联不大。为 得到简单快速的湍流收敛模型,Large(1994)等人提出了大体积经典模型(bulk type empirical model),在海洋学中沿用至今。与之相反的,统计湍流封闭模型复杂,计算 效率低并且不包括一些重要的物理过程,如非本地特性(non-local feature) ,也不可预 测多层湍流的混合层深度。原因有很多,主要原因是对内部波动的不充分考量。 统计湍流封闭模型比经典大体积模型更适合研究的原因在于:1)统计模型反映 了更多湍流的物理特性,不仅仅是扰动。高阶统计矩如湍流动能,耗散率,温度变化 都可计算,因此能与观察量比较;2)大体积模型对很多河口和海岸的很多过程都没 有描述,如应力引起的周期性层化,高浓度悬浊物的传输交换。由于河口、大陆架洋 的模型研究通常是混杂在一起的,因此用统计模型模拟可以用同一个湍流封闭模型来 描述。尽管对湍流本身的理解帮助不大,但用统计湍流模型对海洋中复杂的小区域现 象是个很好的解释工具。为了更好的理解湍流本身,更多不同的方法被应用,如直接 数值模拟Direct Numerical Simulation、大涡数值模拟Large Eddy Simulation等。以 上方法均不适合测量湍流的大尺度效应,如扰动层加深、潮汐应变、内部波扰动的长 期效应等。 计算流体力学的发展推动了浅海动力学的发展,以二维正压流动数值模拟为起点, 3华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 出现了多种数值模式,如有限元法、谱方法、ADI 法等。人们通过湍流问题的线性化 来简化问题。当研究逐步深入,人们意识到湍流在诸如海面波浪破碎、兰米尔环流、 跃层生衰、海洋内部的双扩散等方面起了十分重要的作用。在海洋湍流的计算中主要 [25] 应用的是两种模型,伦敦皇家学Imperial CollegeLaunder和 Spalding 的κε - 模型 , [26] 普里斯顿大学Princeton UniversityMellor 和 Yamada 的 κκ L 模型 或称为 Mellor-Yamada level 2.5 model。其中, κ 表示湍流动能, ε 表示耗散率,L表示宏观尺 [27, 28] 度。两种模型分别单独应用了很多年,但实质上它们是一致的、等效的 。 由于κε模型同时考虑对流扩散输运中脉动尺度和脉动能量的效应,理论上比零 或单方程模型具有更大的优越性,多年来得到广泛地应用。但它不能应用于大曲率的 边界流动、低雷诺数流和旋转流等情况,有一定的局限性。 κε 模型局限性的根本原 因是它仍采用了各向同性涡粘性系数的概念,仅简单用标量 κ 和 ε 来表征湍流脉动特 [16] 性。显然,这对于各向异性的流动问题是不适当的 。除了上述根据雷诺方程 得到的湍流模型外,GOTM General Ocean Turbulence [29] Model 是一种一维水体湍流模型。 它针对自然水域中垂直方向的扰动水动力及热 动力过程进行模拟。其核心是计算动量、盐分、热量传输的一维方程,从而得到这些 量的湍流通量。该模型容易代码化,易于融合到三维环流模型中。 湍流实验研究方法不仅用于湍流基础理论的研究,也大量应用于工程领域的湍流 流动测量。而对测量海洋湍流数据,常用方法粒子成像速度仪(Particle Image [30] [31, 32] Velocimetry) 、自动水下仪(Automonous Underwater Vehicles) 。 粒子图像测速仪Particle Image Velocimetry,PIV是利用粒子图像来测量流速的测 速系统。激光器发出的脉冲激光由柱面镜进行光波横截面的一维扩束、一维压缩形成 激光薄片照射到流场中。投影的激光薄片扩束方向与流场流速方向一致,再在激光薄 片的法线方向用成像镜头对随流动运动的粒子成像,采用单帧双曝光或双帧单曝光方 式记录粒子图像,再用相应的相关算法进行分析得到流场在该视场内的流速 分布。 自动水下仪是用两个高波数的切变探针和一个动态皮托管安装在 AUV 的前端,可 测量耗散范围内速度的三分量。其中皮托管测定在该方向上的速度,切变探针确定速 度方向得到湍流速度 3 个方向上的分量。该方法使用测量大范围湍流的速度,由于是 4华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 切入式探测方法,对湍流结构本身会产生一定的影响,如图 1-1。 图 1-1自动水下仪图示 1.3 流场测速的意义 流体是指在任何微小切应力作用下都会发生连续不断变形的物质,这种连续不断 的变形称为流动。根据流体流动过程中物理属性的变化和流体的结构、流态等,可以 [33] 将流体流动进行下面几种分类,见表 1-1 流体流动的分类 。可见,流场中各空间点 的流速(包括大小和方向)是用于描述流场运动的重要物理量。 描述流体运动的理论方法有拉格朗日法和欧拉法两种。前者把流体质点作为研究 对象,后者着眼于整个流场中各空间点流动参数随时间的变化。无论是哪种 方法,对 流体流速、压强等物理量在空间点上的分布规律都是仿真计算的核心之一。虽然计算 流体动力学CFD不受物理模型和实验模型的限制,省钱省时,有较多的灵活性,但其 数值解法是一种离散近似计算方法,依赖于物理上的合理、数学上的适用。昀终是否 正确地描述真实条件还需要从实验中验证。因此对流场速度的测量成为检验 CFD数值 计算的必要手段。 表 1-1 流体流动的分类 流动沿程变 流体微团 划分 流动要素是否 流场各点流 质点是否掺 流动的空 化的快慢(非 是否存在 因素 随时间变化 速是否相同 混,是否有序 间区域 均匀流) 旋转 定常流动 均匀流 渐变流 层流 无旋流动 内部流动 分类 非定常流动 非均匀流 急变流 湍流 有旋流动 外部流动5华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 流场测速在科研和工业应用上有十分重要的意义。在航天工业,在医疗上,通过监 测血液流动及微粒情况,反映人体器官的有无病变并根据实时监控结果调节诊疗 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 [34-36] 。在热工业上,预混和和非预混合燃气对燃烧器的燃烧效率和污染物的排放有重 要影响,因此需要诊断技术对混合燃气进行检测,比如喷雾装置、混合比等,对装置 [37] 进行改进从而提高效率,减少污染 。在制造业上,生产过程中气泡的出现及于原料 的混合或者排除是十分重要的问题,通过对多相流体流动的监测可以有效地预防解决 [38] [39] 气泡的产生和分解 。在气象学上,对高空湍流、风沙流中的颗粒速度浓度分布 的 监测对天气预报和防范灾害以及短波、激光通信都能起到积极的作用。在航天航海上, 通过对机翼、舰船和螺旋桨周围流体流动情况的测试,反映舰船本身及动力装置的设 [40, 41] 计缺陷,从而改进以获得更好的动力 。 1.4 流场测速的研究现状 近年来流场测量领域发展十分迅猛,由原来介入式测量(热线热膜风速仪)转入非接 触、无干扰的激光测量技术。而基于激光技术的单相或多相流速测量方法主要有以下几种, 激光多普勒速度仪,相位多普勒风速仪,全局多普勒速度仪,全局相位多普勒风速仪,干 涉粒子成像法,激光流动标记法,激光散斑速度仪,粒子成像速度仪,粒子追迹速度仪。 下面分别对各种测速技术的测量原理,适用范围,探测优缺点等进行介绍。 1.4.1 热线热膜风速仪HWFA[42] 热线热膜风速仪Hot Wire/Film Anemometer 的工作原理是用电加热置于流体介 质内的探针或热膜元件,使其温度高于流体介质温度进而产生热交换,测量此热交换 率大小即能求出被测对象的温度、速度和浓度平均值。 随着技术的发展,数字化恒温热线热膜风速仪测量得到了广泛应用。热线热膜技术 能够准确测量湍流各个相关参数,常作为其他测量技术方法的衡量标准。它的优点是 可测量液体或气体的流动速度、脉动值和湍流量的平均值,且可以同时测量多个速度 分量,测量精度高,频率响应高。它的缺点是:1嵌入式测量,探测头会对被测 流场 的流动产生干扰;2测量时流体流动方向需与传感头基本一致;3 无法测量与探针 方向相反的流动方向;4测量前需进行校准。6华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1.4.2 激光多普勒测速仪LDV激光多普勒测速仪Laser Doppler Velocimetry,LDV是利用运动物体散射光的多普 勒频移来获得速度信息的非侵入速度测量技术,广泛应用于流体速度测量中。其基本 原理是流体带动加入其中的示踪粒子运动,当入射光照射在这些悬浮的微粒上时,其 [43, 44] 散射光的频率会产生偏移。通过测量频率的偏移量就可以得到微粒的移动速度 , 从而反映流体的运动。 光源产生的激光束经过分光器分成多束相互平行的入射光,一束或多束激光经过微 粒运动区域,独出一束作为参考光束。通过接收透镜收集运动微粒通过测量体时的散 射光,再与参考光束作用(如干涉仪)转换成多普勒频移频率的光电流信号。信号处 理器对多普勒信号进行处理,将频率量转换成数字量并计算出各种物理量, 如运动物 体的速度大小和方向。激光多普勒测速仪可用于流速多变且不能接触测量的封闭空间流场。由于其测量频率 与流动速度是线性关系,一般不需校准。它具有非接触测量、线性响应和高空间分辨率的 优点。但是对系统有一定的防震要求,需保证光学系统和待测系统之间无相对运动,其结 构复杂、造价昂贵,因此其应用受到一定的限制。 1.4.3 相位多普勒风速仪PDA 相位多普勒风速仪Phase Doppler Anemometry, PDA是由多普勒技术发展而来的。 它是一种可以同时测量流场中粒子的速度和粒径信息的技术。在某些条件下,球形颗 粒的直径与其散射光的相位差成正比。因此通过在激光多普勒系统上外加相位检测系 [45, 46] 统同时获得流场中粒子的粒径信息。这就是相位多普勒风速仪 。它的优点是可以 同步同时无接触的测量流体的流动速度、粒子浓度,测量粒子尺寸范围广。其缺点是 价格昂贵、调整技术复杂。 1.4.4 激光散斑速度仪LSV 激光散斑速度仪Laser Speckle Velocimetry, LSV主要用于测量微流动,在医学和生 [47] 物学中应用广泛 。其测量原理是把被测区域看成散射面(体),当激光照射时会在 空间各处发生散射。由于激光具有高相干性,散射面(体)各点的散射光会在接受面 7华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 产生干涉。虽然被测区域是随机的,但整体散射光斑具有一定的统计规律。这个统计 特性是由光学系统和被测体的运动决定的。当用激光散斑用来测量位移(位移/间隔时 间速度)时,前一个时刻的散斑图样与后一时刻的散斑图像进行自相关或互相干运算 得到位移量。一般来说,形成激光散斑的尺寸微粒与激光波长相当,因此激光散斑速 度仪一般用于测量生物体血管内的血液流动,或纳米或微纳流体的流动。 1.4.5 粒子图像速度仪PIV 粒子图像速度仪Particle Image Velocimetry,PIV是 20世纪 90年代后期成熟起来 的流场测试技术,是利用粒子成像来测量流体速度的一种测速系统。它广泛应用航天 航海、汽车制造、医药制造、燃烧等工业。其工作原理如下:激光器发出的激光经整 形形成激光薄片照亮流场,在照亮片区的法线方向附近用 CCD相机记录流场中示踪粒 子的图像。根据不同的曝光方式,采用对应的图像处理方法,得到流场速度矢量分布 图。它具有无接触测量,精度高,测速范围宽,抗干扰强等优点。下面 1.5小章节及第 2章中会详细介绍。 1.4.6 粒子追迹速度仪PTV 粒子追迹速度仪Particle Tracking Velocimetry, PTV早于 PIV出现,与粒子图像速 [48] 度仪的测量原理非常类似 。激光照亮流场的一个薄片区域,流场中有一定密度、一 定大小的示踪粒子,流场流速方向一般在照亮平面内。在垂直于照亮区域的接收方, 用 CCD相机记录示踪粒子的图像。它与 PIV的区别在于示踪粒子的大小和密度。若流 体中混入的示踪粒子密度较小,颗粒线度较大,在粒子图像中可以清楚的分辨粒子的 像或者粒子像的重叠都属于 PTV 的范围。由于示踪粒子密度相对较小,尺寸 较大,在 反映反映流场流速的细节上不如 PIV,及空间分辨率较小,不适用于微尺度流场。但 在图像处理上计算速度快,效率高。它适用于雷诺数较小,大的流场流速测量。在现 [49, 50] 代测量中,往往和 PIV一起使用,互补地测量流场的速度场分布 。 LSV, PIV, PTV的测量原理都十分类似,光源、照亮方式、接收装置、图像处理基 本都是一样的。区别主要在于流体中的示踪粒子的大小、密度。在测量过程中采用像 密度//.ge density来区别,见图 1-2, LSVPIVPTV。8华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 图 1-2 三种不同的粒子像密度:a低密度PTV; b中密度PIV; c高密度LSV以上所述的测量方法都是目前应用昀广泛测量原理昀基本的。为了提高测量范围、 增加测量对象及提高测量速度,在它们基本原理的基础上还发展了各种流场测量方法, [51] 如全局相位多普勒速度仪 。除此之外流场测速还有其他处于实验阶段的测量方法, [52] 如激光流标记法Laser Flow Tagging, LFT ,磁共振速度仪Magnetic Resonance [53] Velocimetry, MRV 等。 1.5 PIV的发展历史和研究现状 对大自然人类一直抱着极大地兴趣去观察研究,去利用改造。在许多情况下,人类 对移动的物体及其敏感。当小孩子扔个小木头到河里并观察它随水流的运动,这可以 看做是人类对水流速度的一个初步估计。但真正从实验上系统的提取流体流动信息的 应该是 1904年 Ludwig Prandtl 对手动旋转叶轮带动的水体流动的观测。该叶轮在一个 由横墙隔开的上下部分开的长渠上运动。通过观察洒在水面上的云母颗粒观察水流的 运动。显然,这是一次对流体流场的定性描述,无法定量描述出流速等物理量。 续 L.P.实验一个世纪后,我们已经可以很容易地提取有关瞬时流场的定量信息。在 过去 20年里,光学、激光器、电子、摄像和计算机计算得到飞速发展。这些都为复杂 流场的量化可视化提供了必要条件。1984 年,Adrian 在科研文献中正式从 LSV 中抽 [54] 取出“PIV”这个名词 。早期实现定量测量的是激光散斑技术,源于固体表面的测量。 1977年,三个不同的研究小组 Barker&Fourney, Dudderar&Simpkins, Grousson&Mallick [30] 研究了激光散斑测量管中层流流场的可行性 。设计实验采用双曝光照片记录平面激 光照射区形成的杨氏干涉条纹。这些条纹由移动的激光散斑对形成。1983 年,比利时 v. Karman 研究所的 Meynart 成功进行了实验,使进一步对层流和气液体的湍流测量成 为可能。9华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 虽然 Meynart 在工作提到的是激光散斑速度仪LSV,但他所用的图像仅是微粒的 像而不是激光散斑。第一次明确提出“粒子像”概念的是在两篇同期放表的小论文中, [55] [54] 分别由 Pickering&Halliwell , Adrian 在 1984年提出。Adrian认为在光束照射区域, 被照亮的粒子是很少的。如果粒子数很多,无疑会在像面上形成散斑图样。 反之,像 面仅会形成单个粒子的像。因此,他提出了 PIV 这个概念来区分激光散斑图样。为定 量地描述两者的区别,他定义了无量纲物理量-源密度source density。源密度等于问询 体积内平均粒子数。像面上重叠的粒子像就可以用这个概念来描述。对流体来说,散 射体的浓度太小不足以产生散斑图像。而高粒子浓度对流体动力学来说也不合适。因 此,我们总是看到粒子的像而不是散斑。 PIV提供了一种测量湍流结构的极具潜力的手段。这引起许多科学工作者的关注和 研究。对于湍流本身,它是一种尺度跨度很大的物理现象。这要求测量技术无论是在 长度和速度范围上有很大的动态范围。湍流随机性的特点使得我们不能预先知道流体 流动的方向。这要求测量手段能感知所有方向上的流动。另外,湍流往往具有高雷诺 数,即高运动速度、高加速度。这要求流体中的示踪粒子能很好跟随这种加速度随机 起伏的流体运动。因此,示踪粒子一般为微米级的颗粒。当然,微粒的截面积小意味 着散射截面小。要在极短的曝光时间内捕捉到粒子图像,相应地要求使用高功率,脉 冲光源。 根据上面所说的要求,昀基础的 PIV 系统必须包含脉冲激光薄片,几微米(气体 示踪)或几十微米(液体示踪)的示踪粒子。图像记录主要采用隔行转移摄像机,然 后用相关算法进行相应的图像处理。PIV 系统组成的任何一部分都不是一层不变的。 比如激光照明部分,连续激光,编码激光,单脉冲激光都可以作为照明光使用。连续 激光与快门照相机或者氙气闪光灯结合使用达到极短时间的曝光记录。编码激光主要 [56-58] 包括双脉冲,多脉冲或非均匀间隔脉冲激光 。根据不同的流场环境及设备,照明、 编码、示踪粒子、记录方法及图像处理各个方面都进行了多种调整和改进。 激光多普勒速度仪的发展告诉我们要产生清晰的微粒图像需要足够的入射光强或 曝光时间。根据 Mie 散射理论,我们可以计算出微粒尺寸与散射光的关系。实际上, 对空气中微米级或者水中 10-30 μm 的微粒,脉冲激光器已经能满足要求。 现在出现了 10华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 更加适用于 PIV的激光器-双脉冲固体激光器。它有两个谐振腔组成,两脉冲之间的间 隔时间可调,极大地提高了流速测量的动态范围。 昀初对图像的记录是采用胶片的。当时对 PIV 粒子图像的处理方法是采用杨氏条 纹法,即采用透镜把粒子图像的空间信息转化为频谱信息记录在相片上,对条纹间隔 的分析得到粒子图像位置变化的信息。随着电子记录器件电荷耦合器件 CCDCharge-coupled Device的出现,粒子图像的记录数字化。Sutton和 Adrian分别在 [59] [54] 1983 年和 1984 年提出用自相关算法处理多个粒子的双曝光图像。通过傅里叶变 化在相关平面上出现的尖锐信号峰反应的就是图像的移动。这两种方法都把整体粒子 图像划分成很多小的探询点图,对这些小图分别进行运算得到该小区域内粒子运动的 [60] 平均位移及纵向位移(垂直于激光薄片方向)。1992年,Keane 在分析自相关算法是 提出了第二个无量纲的量?像密度image density。它定义为在探询点图中散射体的平 均数。这个参量为描述 PIV 系统的性能及优化提供了重要依据。若像密度很低以致在 点图中找不到一对像点,那么就不可能得到这个空间点上的速度。若像密度太高,点 图中相互重叠的像点太多以致分不清像点对,也不可能得到该空间点的平均速度。当 CCD刚用于记录 PIV图像时,电脑的运算能力不足以在较短的时间内对图像分区分点 进行相关处理。这使得这种统计分析方法并没有很快地运用到 PIV 图像上,而是一直 使用粒子追迹的方法进行图像处理Young’s fringe,即找到离原粒子像昀近的另一个粒 子像作为粒子像。显然,粒子追迹的方法是基于低像密度的,那么在描述湍流场的速 度场时空间分辨率必然不高。为提高空间分辨率,研究者采用可变点区尺寸、形状等 方法来优化低像密度下的速度场。可调窗口法在这个时期得到发展一直沿用至今。 [61] [62] 90 年代,数字记录逐步替代胶片记录。Willert 和 Westerweel 分别在就 1991 和 1993 年发表论文说明数字记录能提供更准确更清晰的粒子像。 25 × 35mm 或 100 ×125mm的胶片昀高提供 100 线/mm 或 300 线/mm 分辨率。数字相机能提供 500 ×500像素的分辨率,但它结构上很均匀,不像胶片在感光材料的涂覆上有随机性 的起伏。且现在的数字相机能达到1000 ×1000像素的分辨率,甚至 11M 像素的相机已 经和 100 线/mm 的 35mm 胶片的分辨率对等了。相比胶片,数字相机的另一大优点是 能连续记录大量的粒子图像,且存储空间极小。11华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 记录图像数字化后,研究者对探询方法进了多方面的改进和优化。自相关算法有个很 大的缺陷就是曝光时间的无序性,即像对中哪个像先出现,哪个像后出现无法判定。因此 在自相关分析前,对流体的流动方向有个预判定。而这个判定大大减小了速度测量的动态 [63] [60] 范围 。为解决图像的时序问题,采用互相光算法分析双帧单曝光图像 ,即把两幅图 像快速连续的记录到数字相机上,极大地提高了流场测量的动态范围。当流场速度较快时, 双帧单曝光技术又出现了新的问题。普通的 CCD昀快存储传送时间是 30帧/s,也就是说 1 秒中昀多能记录 30 副图像。跨帧记录相机解决了这一问题。它是采用跨行记录的方式 提高两幅图像的记录效率,比如奇行记录第一幅图像,偶行记录第二幅图像,然后再一起 存储起来,这样就突破了 CCD 电荷转移的时间界限。由于 CCD 本身记录图像的原理限 制了它的帧频,高速 CMOS相机的出现使得快速摄像成为可能。 相关平面的信号峰值与随机噪声峰的判别也是 PIV图像处理研究热点之一。如果信号 峰小于噪声峰,会得到错误的问题。为减小误判率,Keane 在 1992 年提出了另一个无量 纲量NFF 对系统进行优化。该参数表明粒子图像上丢失的像点对,纵向粒子的丢失率, II 0 测量体积形状及粒子浓度。通过这一参数提高信噪比,从而对系统进行优化改进。 除了图像处理上的发展之外,PIV对流场的测量应用范围也在不断扩大,从宏观的 [64, 65] [66, 67] 大型流场到生物微流场 ,从二维平面流场测量到三维立体测量 。PIV因其非 介入全场实时测量的优点已经成为目前流场测量手段的主流。 1.6 PIV对气泡流的研究 气泡是自然水体中存在的常见微粒,且在工业生产过程常常出现。目前文献报道 的夹带气泡的水体流动通常是测量气泡圆柱罐中水体和气泡的运动(如图 1-3)。气泡 由圆柱罐下方的气体加压器产生,气泡在上升过程中会带动水体流动产生低雷诺数湍 流,再分别对气泡和水体中的荧光粒子成像,产生气泡和水体的速度矢量图。整个过 程不是把水体