柯森繁，石小濤，王恩慧，何慧靈，胡　曉，王志強(qiáng)，饒冬偉，樊后龑

(三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，湖北 宜昌　443002)

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簡易粒子圖像測速(PIV)技術(shù)開發(fā)與優(yōu)化技巧

柯森繁，石小濤，王恩慧，何慧靈，胡曉，王志強(qiáng)，饒冬偉，樊后龑

(三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，湖北 宜昌443002)

粒子圖像測速(PIV)技術(shù)是一種瞬態(tài)流動平面二維速度場測試技術(shù)，在細(xì)部流場實(shí)測領(lǐng)域得到重視，但是成熟的PIV產(chǎn)品價格高昂。鑒于此，介紹了一種簡易的PIV裝置，主要由高速攝像機(jī)、激光發(fā)射器、柱面透鏡和示蹤粒子構(gòu)成，以較低成本即可基本實(shí)現(xiàn)商業(yè)用PIV產(chǎn)品的功能。為了驗(yàn)證簡易PIV性能，設(shè)計了PIV簡易裝置，采用Fluent軟件模擬，并結(jié)合PIV技術(shù)對比分析了簡易PIV裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，同時對影響結(jié)果的粒徑大小和粒子跟隨性進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，簡易PIV裝置適宜選用玉米粉作為示蹤粒子，并需要根據(jù)示蹤粒子跟隨性所能達(dá)到的最大進(jìn)口水流速度選擇高速攝像機(jī)的幀率，最終能夠較好地實(shí)現(xiàn)流場實(shí)測，進(jìn)而達(dá)到對PIV技術(shù)進(jìn)行開發(fā)和優(yōu)化的目的，其分析結(jié)果將為后續(xù)研究者提供參考。

粒子圖像測速技術(shù)；示蹤粒子；跟隨性；優(yōu)化開發(fā)；Fluent軟件

1　PIV技術(shù)進(jìn)展

PIV(Particle Image Velocimetry)技術(shù)是一種瞬態(tài)流動平面二維速度場測試技術(shù)，能對一定平面內(nèi)的速度場分布進(jìn)行測量，其原理是在被測量的流場中人工加入示蹤粒子，把激光器發(fā)出的光整形成激光薄片，沿薄片切線方向照亮流場，在照亮片區(qū)的法線方向附近用高速攝像機(jī)記錄流場中示蹤粒子的圖像，再采用相關(guān)算法對圖像進(jìn)行處理得到流場速度矢量分布圖。

在對PIV技術(shù)開發(fā)的研究中，較早的有馮旺聰?shù)萚1]對粒子圖像測速技術(shù)的發(fā)展做出了簡要的概括；2004年趙宇[2]在PIV測試的研究中進(jìn)一步指出了示蹤粒子性能的重要性：內(nèi)燃機(jī)燃燒室中流場的PIV測試結(jié)果的好壞與示蹤粒子的直徑、密度和散光特性有直接關(guān)系；2005年嚴(yán)敬等[3]在示蹤粒子特性研究中進(jìn)一步得出關(guān)于跟隨性的結(jié)論，即實(shí)驗(yàn)選用粒子的粒徑應(yīng)盡量小，粒子的跟隨性較高；2013年鐘強(qiáng)等[4]在提高PIV片光源質(zhì)量的研究中得出可以通過布置一系列的凸凹透鏡來優(yōu)化光路，有效集中激光能量，提高PIV片光亮度，有利于PIV實(shí)驗(yàn)；2014年郄祿文等[5]基于PIV技術(shù)對不同形式防波堤周圍渦旋場特性進(jìn)行了研究，獲得了規(guī)則波流場的瞬時速度分布；2015年劉超等[6]利用PIV技術(shù)對淹沒射流瞬時流場特性進(jìn)行了研究，通過PIV技術(shù)獲得了含有大量瞬時性隨機(jī)渦的精細(xì)流場結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對流場的精確測量。

PIV技術(shù)發(fā)展迅速，以往的實(shí)驗(yàn)基本上都只是停留在介紹和利用PIV技術(shù)的層面，同時由于PIV技術(shù)所需的裝置較昂貴，因此在PIV技術(shù)的開發(fā)和優(yōu)化上比較缺乏；少數(shù)學(xué)者對示蹤粒子的跟隨性進(jìn)行了研究，而對于示蹤粒子跟隨性所能達(dá)到的最大流速和相機(jī)幀率選擇方面的研究較局限。

鑒于此，本文基于以往學(xué)者對于PIV技術(shù)以及示蹤粒子的研究，利用簡易的PIV裝置主要從示蹤粒子的篩選和在不同視頻幀率下記錄的示蹤粒子跟隨性所能達(dá)到的最大進(jìn)口水流速度方面開展實(shí)驗(yàn)。

2　設(shè)備與方法

2.1PIV技術(shù)介紹

PIV即粒子圖像測速技術(shù)是一種瞬態(tài)、多點(diǎn)、無接觸流動表面二維速度場測試技術(shù)[7-9]。PIV技術(shù)的特點(diǎn)是超出了單點(diǎn)測速技術(shù)(如ADV與LDV)的局限性，傳統(tǒng)的超聲多普勒流速儀(ADV)只能進(jìn)行單點(diǎn)接觸式測量，無法對整個區(qū)域內(nèi)的流場進(jìn)行無擾動測量[10-11]；傳統(tǒng)的激光多普勒流速(LDA)可以實(shí)現(xiàn)無接觸測量，但是仍然采用的是單點(diǎn)測量方式。粒子圖像測速技術(shù)能在同一瞬態(tài)下記錄大量空間點(diǎn)上的速度分布信息，并可提供豐富的流場空間結(jié)構(gòu)及流動特性[12-13]。

當(dāng)流場內(nèi)部的流速變化較大，且有渦旋存在時，傳統(tǒng)的單點(diǎn)式測量方法很難完整真實(shí)地再現(xiàn)流場結(jié)構(gòu)。PIV技術(shù)建立在計算機(jī)技術(shù)與圖像處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，克服以往流場測試中單點(diǎn)測量的局限性，而且PIV技術(shù)除向流場撒布示蹤粒子外，所有測量裝置并不介入流場，能夠進(jìn)行流場的無干擾測試，獲得完整的瞬態(tài)流場數(shù)據(jù)[14-15]。

PIV激光圖像測速系統(tǒng)由3部分組成：直接反應(yīng)流場的示蹤粒子、成像系統(tǒng)(包括激光光源系統(tǒng)和CCD成像系統(tǒng))和圖像處理系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分別采用粒子圖像激光成像技術(shù)與數(shù)字圖像自動判讀技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)[16-18]。

2.2示蹤粒子的跟隨性

PIV技術(shù)是通過測量示蹤粒子的運(yùn)動來反映水體運(yùn)動，因此要求運(yùn)動水體中的示蹤粒子的運(yùn)動狀態(tài)與水體運(yùn)動狀態(tài)保持一致。在實(shí)驗(yàn)中，示蹤粒子的運(yùn)動不可能完全與水體運(yùn)動一致，即跟隨性不完全一致。為了保證示蹤粒子的跟隨性，PIV技術(shù)常選用與流體密度接近、粒徑小的粒子加入到水體中。本實(shí)驗(yàn)中，在不同的水流流速和不同幀率的情況下選取合適直徑的示蹤粒子，使用高速攝像機(jī)拍攝粒子的運(yùn)動特性，利用PIV技術(shù)研究了粒子對流速的跟隨性問題。

水流場的示蹤粒子一般使用固體粒子或氣泡[19]。通過這些粒子來觀察流體的運(yùn)動，使各種水流型態(tài)顯示出來。用于示蹤的固體粒子不僅要求不溶于水、無毒、無腐蝕，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，還要求滿足流動跟隨性和散光性等。要使粒子的流動跟隨性好，就需要粒子的直徑小，而這又會使粒子的散光性降低，不利于成像。因此在選取粒子的時候要綜合考慮各方面因素，總的選取原則是：粒子密度要與流體密度盡可能接近；在跟隨性好的情況下，粒子直徑要盡量小[20]，這樣才能緊跟流場并且沒有其他相對滑動，在圖像處理中才能用粒子的運(yùn)動狀況來精確代替流場的運(yùn)動。

2.3實(shí)驗(yàn)裝置與材料

本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)區(qū)域?yàn)殚L110 cm，寬22 cm，高28 cm的封閉玻璃水槽，整個實(shí)驗(yàn)裝置(圖1)主要由水槽、小功率水輪機(jī)、水溫控制器、激光發(fā)射器、柱透鏡、高速攝像機(jī)6大部分組成，并與商業(yè)PIV產(chǎn)品從價格、裝置、操作和環(huán)境要求等方面做了比較(表1)。水槽四周為透明玻璃材質(zhì)，縱向兩端均為半圓型玻璃板，且一端有3塊玻璃板以圓心重合的方式層疊放置；橫向由一塊直玻璃板將水槽分為橫流發(fā)展區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)，實(shí)驗(yàn)區(qū)上游入口設(shè)有整流柵，下游出口設(shè)有金屬網(wǎng),以實(shí)驗(yàn)區(qū)中軸線為對稱軸對稱布置一個圓柱，且圓柱與實(shí)驗(yàn)區(qū)玻璃板邊界等高。

圖1　整個實(shí)驗(yàn)裝置

比較項(xiàng)目簡易PIV商業(yè)PIV價格6635元100000元左右型號無SM3-4M350設(shè)備參數(shù)①高速相機(jī):可拍攝高速視頻,用于跟蹤拍攝示蹤粒子運(yùn)動;像素(分辨率)分別有224×64(1000fps),224×160(480fps),512×384(240fps),640×480(120fps),512×384(30～240fps),640×480(30～120fps)。②激光光源:用于制作粒子成像流速儀;波長532nm。③激光防護(hù)鏡:用于高能激光視力防護(hù)。④柱面透鏡:用于制作粒子成像流速儀;焦距50mm,寬30mm,長60mm。⑤水泵:用于試驗(yàn)中水流的驅(qū)動;鑄鋁材質(zhì)、驅(qū)動方式為電動。⑥攝像頭:用于錄制實(shí)驗(yàn)視頻;紅外距離40～50m、紅外燈數(shù)量2pcs、紅外波長850nm①相機(jī):可拍攝高速視頻,用于跟蹤拍攝示蹤粒子運(yùn)動;像素(分辨率)為4M(2000H×2000V),相機(jī)采集速率:200幅/秒。②激光光源:用于制作粒子成像流速儀。③三維電動坐標(biāo)架:坐標(biāo)軸x-y-z、運(yùn)動行程>1m,材質(zhì):鋁型材。④PIV工作臺:用于連接各設(shè)備;外形尺寸為800×600×800(L×W×H)。⑤光學(xué)濾鏡(附帶專用接環(huán)):寬帶濾色片(532±6)nm、帶通濾色片(560±10)nm(低頻截止波長)。操作復(fù)雜性操作比較簡單,只需將各配件安放到指定的測量區(qū)域即可,由于每個配件都是單獨(dú)的,可隨時根據(jù)需要調(diào)整設(shè)備參數(shù)并且攜帶十分的方便,設(shè)備重量較輕操作比較復(fù)雜,由于設(shè)備尺寸較大,重量較重,攜帶十分不方便,設(shè)備也是事先安裝好,不便于拆卸環(huán)境要求只可用于水流,對水體環(huán)境的要求比較高,盡量減少水中雜質(zhì)對結(jié)果的影響;測量范圍不大,還需進(jìn)一步加強(qiáng);流速范圍為0～1m/s可用于水流、氣流,對環(huán)境要求非常高,盡量減少雜質(zhì)對結(jié)果的影響;測量范圍較大,可測大規(guī)模流場;流速范圍為0～1000m/s對比分析及結(jié)論由于本實(shí)驗(yàn)所測量的區(qū)域面積不大,流速的范圍也控制在0～0.5m/s,實(shí)驗(yàn)裝置所處空間較小,不方便大型設(shè)備進(jìn)行安裝,實(shí)驗(yàn)環(huán)境也比較復(fù)雜,再從實(shí)驗(yàn)所需成本和操作復(fù)雜性的角度考慮采用簡易PIV測速系統(tǒng)最適宜

本實(shí)驗(yàn)中，以型號QDX-1.1-16-10的小功率電動機(jī)實(shí)現(xiàn)水流循環(huán)，以型號FNF-2.0/13的溫控器保持實(shí)驗(yàn)時所需的水溫，以具有高穿透力的諾青激光器NQ-506作為實(shí)驗(yàn)激光發(fā)射裝置，并利用高速攝像機(jī)Casio EX10實(shí)現(xiàn)同步拍攝。

根據(jù)粒子跟隨性優(yōu)化原則，本實(shí)驗(yàn)采用幾種不同屬性的典型粒子作比較，所用粒子有：玉米粉、玻璃粒子、面粉、面包屑，這些粒子在生活中大多數(shù)都是比較常見的，各粒子部分參數(shù)見表2。

表2　實(shí)驗(yàn)中所用粒子參數(shù)

3　實(shí)驗(yàn)方法

3.1空白實(shí)驗(yàn)

為了排除實(shí)驗(yàn)裝置環(huán)境中的雜質(zhì)對實(shí)驗(yàn)造成的影響，保證實(shí)驗(yàn)的精確程度，筆者在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行空白實(shí)驗(yàn)。在不加任何粒子的情況下，在相機(jī)幀率為30 fps(幀/秒)時，將流速大小調(diào)至某一合適的值，在所拍攝的視頻中截取一段水流型態(tài)清晰的視頻，然后將導(dǎo)出的視頻按幀率分開，由視頻中每幀的圖像(圖2)可知，實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)所含雜質(zhì)較少，即后續(xù)的實(shí)驗(yàn)需根據(jù)粒子大小情況來判斷是否對其進(jìn)行考慮。

圖2　空白實(shí)驗(yàn)圖像Fig.2　Blank experiment Image

3.2對照實(shí)驗(yàn)

將篩選出的粒子均勻混合到流體介質(zhì)中，用高穿透力諾青激光照射緊鄰圓柱后方一片區(qū)域，在周圍環(huán)境接近絕對無光的暗室中，用高速攝像機(jī)記錄下粒子在圓柱后渦流處跟隨水流運(yùn)動的一段視頻(圖3)。

圖3　實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場Fig.3　Experimental site

對照實(shí)驗(yàn)分5組，依次在相機(jī)幀率為30，120，240，480，1 000 fps的條件下進(jìn)行，每組實(shí)驗(yàn)水輪機(jī)頻率在0.8～9.8 Hz范圍內(nèi)改變(一種頻率對應(yīng)一定的水流速度)。每種幀率下的每一次流速實(shí)驗(yàn)錄制30 s，每次實(shí)驗(yàn)之間間隔30 s，其目的是讓實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的流速在30 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定值，從而保證實(shí)驗(yàn)期間水流速度的準(zhǔn)確性。將錄制的視頻導(dǎo)出,并將各幀率視頻中的每張圖片進(jìn)行比較分析，依據(jù)拖影的有無來判斷該流速下示蹤粒子跟隨性的好壞，并運(yùn)用二分法逐漸縮小流速范圍，最終得到該幀率下所對應(yīng)的示蹤粒子跟隨性所能達(dá)到的最大的水流速度。經(jīng)過5組實(shí)驗(yàn)，即可得到不同視頻幀率條件下對應(yīng)的示蹤粒子跟隨性所能達(dá)到的最大的水流速度。

4　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1運(yùn)用Fluent軟件和PIV技術(shù)對比篩選4種粒子

Fluent是由C語言編寫而成，具有很大的靈活性與能力，且Fluent包含各種物理優(yōu)化模型，對于水的流動特點(diǎn)，有適合的數(shù)值解法，從而在計算速度、穩(wěn)定性和精度上能得到最佳效果。而且Fluent包含豐富而先進(jìn)的物理模型，從而能夠精確地模擬無黏流、層流和湍流。

從1997年開始已經(jīng)有大量文獻(xiàn)對圓柱繞流進(jìn)行過研究，特別是通過流體軟件模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，來說明軟件模擬的合理性和準(zhǔn)確性。2005年徐元利等[21]利用計算機(jī)流體軟件Fluent模擬不同雷諾數(shù)下均勻來流繞固定圓柱的流動，將模擬所得到的流場的等值線圖和流場矢量圖與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，確認(rèn)Fluent能夠很好地預(yù)測流動結(jié)構(gòu)。2007年楊爍等[22]在研究二維圓柱繞流數(shù)值模擬中采用Fluent軟件對定常和非定常狀態(tài)的圓柱進(jìn)行了數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，得到了相應(yīng)比較合理的計算模型。因此本文中以Fluent軟件模擬結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，來檢驗(yàn)其它PIV粒子對流場的反映情況。

在此實(shí)驗(yàn)中用Fluent軟件模擬實(shí)驗(yàn)區(qū)域的水流形態(tài)，首先需要在Geometry里面建好圓柱繞流模型，然后對建好的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于流場比較復(fù)雜，為了得到更精確的模擬結(jié)果對網(wǎng)格進(jìn)行了分區(qū)，畫好網(wǎng)格后開始進(jìn)行Fluent軟件模擬，根據(jù)模型計算的雷諾數(shù)為4 535，因此采用標(biāo)準(zhǔn)的K-epsilon模型進(jìn)行求解，之后定義邊界條件，輸入進(jìn)口水流速度9.07 cm/s，最后通過瞬態(tài)模擬計算得出水流速度云圖(圖4)。

圖4　實(shí)驗(yàn)區(qū)域Fluent模擬速度云圖和流線圖Fig.4　Nephogram of speed and streamlines in experimental region simulated by Fluent

采用高速攝像機(jī)記錄粒子在不同流場下的運(yùn)動速度以及產(chǎn)生的渦量，隨后采用Matlab程序中的子程序PIVlab對所拍的視頻進(jìn)行分析處理，得到關(guān)于流場中粒子的運(yùn)動所反映的流場水力學(xué)指標(biāo)，其技術(shù)路線如圖5，之后用該結(jié)果與Fluent模擬出來的結(jié)果進(jìn)行比對，通過比較水力學(xué)指標(biāo)來篩選更能反映出流場的粒子。因此分別對以下4種粒子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并分析比較。本實(shí)驗(yàn)中的技術(shù)指標(biāo)是：分別距圓柱中心5 cm處斷面上的最大渦量、最大流速、平均流速和不同粒子PIV實(shí)驗(yàn)與Fluent模擬結(jié)果比較產(chǎn)生的平均相對誤差值，見表3。渦量是描寫漩渦運(yùn)動最重要的物理量之一，定義為流體速度矢量的旋度，其單位是s-1。

圖5　PIV技術(shù)路線Fig.5　PIV technical route

圖6為進(jìn)口流速為9.07 cm/s時玉米粉粒子PIV模擬渦量、速度圖像。圖中的盲區(qū)指激光無法照亮的區(qū)域。

表3　同一斷面不同粒子的水力參數(shù)比較(進(jìn)口水流速度為9.07 cm/s)

注：“平均相對誤差”是指PIV實(shí)驗(yàn)相對Fluent軟件的誤差絕對值的加權(quán)平均值。

圖6　玉米粉粒子PIV模擬渦量、速度圖像 (進(jìn)口流速9.07 cm/s)Fig.6　Images of speed and vorticity for corn flour particles simulated by PIV(inlet flow velocity is 9.07 cm/s)

將PIV模擬的速度與渦量云圖(圖6)中的水力參數(shù)與Fluent軟件模擬相對誤差(表3)比較得出，4種示蹤粒子反映水流形態(tài)的顯著性大小為：玉米粉粒子>玻璃粒子>面包屑粒子>面粉粒子。因此在PIV系統(tǒng)中選擇玉米粉粒子和玻璃粒子作為示蹤粒子是比較好的；而面粉粒子和面包屑粒子的相關(guān)水力參數(shù)誤差較大，所以不宜選擇。

通過以往學(xué)者的研究得知，一部分學(xué)者認(rèn)為在純凈的水質(zhì)中玻璃粒子最適合作為示蹤粒子，而本實(shí)驗(yàn)中得出，玉米粉粒子和玻璃粒子基本都符合作為示蹤粒子的條件，且從某些水力指標(biāo)看出玉米粉粒子比玻璃粒子效果更好。分析認(rèn)為，純凈的水質(zhì)條件較為理想，在現(xiàn)實(shí)中此情況是不存在的，玻璃粒子粒徑過小，可能受到水體雜質(zhì)的影響，而不易觀察；而且從成本上考慮，玻璃粒子成本很高，而玉米粉粒子成本較低。綜上分析，認(rèn)為玉米粉粒子較適合作為本實(shí)驗(yàn)的PIV示蹤粒子。

4.2數(shù)據(jù)分析方法(二分法)與技術(shù)指標(biāo)

為了較好地反映粒子的跟隨性，并在較短時間內(nèi)找到粒子跟隨水流的最大進(jìn)口水流速度，本文采用數(shù)學(xué)中常見的二分法。先將流速從小到大排序，在最小流速下，粒子的跟隨性可以較好地反映出來，而最大流速狀態(tài)下卻不能；然后取最大流速和最小流速的平均值，在此流速下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，判斷粒子跟隨性是否良好，若良好，則粒子跟隨性良好的最大流速在排序中的平均流速與所給最大流速之間，反之則在最小流速與平均流速之間，這樣，就將所要實(shí)驗(yàn)的流速的區(qū)間縮至合適范圍內(nèi)。以此方法進(jìn)行，每次都將速度區(qū)間縮小一半，就很快找到了粒子跟隨水流的最大進(jìn)口水流速度(表4)。

表4　相機(jī)幀率為30 fps時示蹤粒子跟隨性所能達(dá)到的最大進(jìn)口水流速度分析

由表4可得：當(dāng)幀率為30 fps時對應(yīng)示蹤粒子跟隨性所能達(dá)到最大進(jìn)口水流速度為7.92 cm/s。

4.3不同幀率條件下圖像及速度分析

在實(shí)驗(yàn)中，可以得到同一幀率、不同流場下的2種PIV圖像，如圖7所示。通過比較發(fā)現(xiàn)，圖7(a)中示蹤粒子能夠正常反映水流型態(tài)，表示此流速下示蹤粒子的跟隨性良好；而圖7(b)中圖像形成滯留流態(tài)，不能清晰地看到示蹤粒子，因此這種情況下示蹤粒子不能正常反映水流型態(tài)，表示此流速已經(jīng)超出示蹤粒子跟隨性所能達(dá)到的最大進(jìn)口水流速度。選擇不同幀率所得到PIV圖像的分辨率和清晰度是不同的，PIV圖像的幀率越高，則清晰度越低，這兩者呈反函數(shù)關(guān)系，基于此可知，在PIV實(shí)驗(yàn)中，不同示蹤粒子在不同幀率條件下跟隨性所能達(dá)到的最大進(jìn)口水流速度是不同的。

圖7　示蹤粒子跟隨性的PIV圖像Fig.7　PIV images of tracking performance of tracer particle

由上述方法分析得到在相機(jī)幀率為30，120，240，480 fps時對應(yīng)示蹤粒子跟隨性所能達(dá)到的最大進(jìn)口水流速度和相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系(表5、圖8)。

表5　幀率與示蹤粒子跟隨性所能達(dá)到的最大進(jìn)口水流速度

圖8　幀率與示蹤粒子跟隨性所能到達(dá)的最大進(jìn)口水流速度的關(guān)系Fig.8　Relationship between frame rate and maximum inlet flow velocity which the tracking performance of tracer particle can reach

5　討　論

(1)通過觀察不同幀率下示蹤粒子所能達(dá)到的最大進(jìn)口水流速度可以得出：對于采用玉米粉粒子作為示蹤粒子的PIV實(shí)驗(yàn)來說，在幀率從30 fps增大到480 fps時示蹤粒子所能達(dá)到的最大進(jìn)口水流速度從7.92 cm/s增大到29.66 cm/s；而PIV試驗(yàn)中粒子圖像的清晰度是由幀率和進(jìn)口水流速度共同決定的，幀率越高則分辨率越低；不同幀率的選擇必定會對應(yīng)不同的最合適觀察示蹤粒子的進(jìn)口水流速度，例如本實(shí)驗(yàn)在改變第5個幀率為1 000 fps時，所拍攝的視頻中示蹤粒子已經(jīng)無法正常反映水流的正常型態(tài)(由于此時的分辨率過低，故文中未給出PIV圖像)。此結(jié)論以本實(shí)驗(yàn)為例，旨在為研究學(xué)者們提供一個關(guān)于PIV實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化思路。

(2)玉米粉粒子作為PIV實(shí)驗(yàn)中的示蹤粒子之一，其在本實(shí)驗(yàn)中充當(dāng)著重要的角色。從示蹤粒子的價格來看，相比較玻璃粒子，玉米粉粒子價格低廉；從實(shí)驗(yàn)效果來看，玉米粉粒子和玻璃粒子都能夠反映流場的水流型態(tài)，但在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作過程中不存在純凈的水體，實(shí)驗(yàn)水體中必定混雜著各種大小不一的雜質(zhì)成分，因此雖然粒子越小，其跟隨性越好，但是粒子過小在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作中容易受到雜質(zhì)粒子的影響，從而影響實(shí)驗(yàn)效果，玉米粉粒子直徑適中，在實(shí)驗(yàn)中不受雜質(zhì)粒子的影響。綜上所述，在PIV實(shí)驗(yàn)中，玉米粉粒子更值得研究者們考慮。

6　結(jié)　語

PIV技術(shù)現(xiàn)今作為較成熟的技術(shù)，實(shí)驗(yàn)的效果和優(yōu)勢不言而喻，然而PIV技術(shù)還可以進(jìn)行不斷地開發(fā)和優(yōu)化。本實(shí)驗(yàn)首先利用了一種簡易的PIV裝置，它的成本大約8 000元人民幣就可基本實(shí)現(xiàn)商業(yè)用PIV產(chǎn)品的功能。其次運(yùn)用Fluent軟件模擬的結(jié)果與PIV技術(shù)的結(jié)果對比進(jìn)行示蹤粒子的篩選，然后對PIV實(shí)驗(yàn)中示蹤粒子在選擇不同幀率情況下其跟隨性所能達(dá)到的最大進(jìn)口水流速度進(jìn)行研究，這必將會給后續(xù)研究者在PIV實(shí)驗(yàn)中對于進(jìn)口水流速度以及對示蹤粒子的選擇提供重要的參考依據(jù)，從而提高實(shí)驗(yàn)效率。

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(編輯：黃玲)

Development and Optimization Skills of Simple ParticleImage Velocimetry Technology

KE Sen-fan,SHI Xiao-tao,WANG En-hui,HE Hui-ling,HU Xiao, WANG Zhi-qiang,RAO Dong-wei,FAN Hou-yan

(Engineering Research Center of Eco-environment in Three Gorges Reservoir Region of Ministry of Education， China Three Gorges University，Yichang443002，China)

As a measurement technique of instantaneous 2-D velocity flow field,particle image velocimetry(PIV)has received much attention in detailed flow field measurement,but mature product of PIV is still expensive.In view of this,we introduce a simple device which consists of high-speed digital camera,laser transmitter,cylindrical lens and tracer particle.The fuctions of business PIV product can be achieved with low cost.To verify the simple PIV performance in this paper,we designed a simple device and analyzed the advantages and disadvantages of this simple device by software Fluent.Furthermore,we optimized the particle size and the tracking performance of particle.Results show that corn flour particle is suitable as the tracer particle of this simple device.Moreover,we should choose the frame rate of high-speed digital camera according to the maximum inlet water velocity which the tracking performance of tracer particle can reach.During this process,we can get a better flow field measurement,and develope and optimize the PIV technique.The analysis result offers important reference for further study.

particle image velocimetry technology；tracer particle；following performance; development and optimization; Software Fluent

2015-07-01；

2015-10-17

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51579136)；水利部水工程生態(tài)效應(yīng)與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(2013002)；三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心開放基金(KF2010-03)

柯森繁(1992-)，男，湖北黃岡人，碩士，主要從事生態(tài)水利研究，(電話)15926989126(電子信箱)574048802@qq.com。

石小濤(1981-)，男，湖北黃岡人，教授，博士，主要從事水生生物生態(tài)學(xué)研究，(電話)15071730399(電子信箱)sxtshanghai@163.com。

10.11988/ckyyb.201505492016,33(08):144-150

O357.5+4

A

1001-5485(2016)08-0144-07