童潤中

（北方工業(yè)大學(xué) 北京 100144）

0 引言

PIV（Particle Image Velocimetry），即粒子圖像測速技術(shù)，從20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)的激光散斑測速技術(shù)演變而來，在20世紀(jì)80年代發(fā)展成型[1]。這一技術(shù)相比于傳統(tǒng)的煙線法、紋影法等流場測量方法，可以使流體運動的流場測算得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果。

1 PIV基本原理

PIV的基本原理：在流體中加入體積較小的粒子，通過粒子對流體較好的跟隨性對流體的流動進行示蹤，再通過適當(dāng)?shù)墓庠春蛿?shù)字相機捕捉粒子實時的流場數(shù)據(jù)，從而達到粒子圖像測速結(jié)果。

現(xiàn)在業(yè)界普遍使用的PIV系統(tǒng)都由光源照明系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)組成，其中光源照明系統(tǒng)是使用雙脈沖激光照射到柱面透鏡上形成片光源，用片光源對流場中的示蹤粒子進行照明，被激光照亮的示蹤粒子由數(shù)字相機采集圖像，采集到的瞬時圖像信號再由計算機進行互相關(guān)分析處理，最后形成準(zhǔn)確的流場數(shù)據(jù)[2]，其處理過程見圖1。

2 PIV發(fā)展歷程

在PIV技術(shù)出現(xiàn)之前，人們對于流場的研究主要是通過數(shù)據(jù)模擬計算以及使用染色法一類的較為粗糙的流場檢測方式進行研究，這導(dǎo)致人們對于流場數(shù)據(jù)的檢測不夠準(zhǔn)確，尤其是在面對復(fù)雜三維非定常流場時傳統(tǒng)的檢測方法更是難以將其準(zhǔn)確檢測出來。因此，在1984年由Adrian提出的PIV檢測技術(shù)具有很大的意義，使人們對于流場數(shù)據(jù)的檢測水平達到了全新的高度。

經(jīng)過多年的發(fā)展，PIV的圖像采集系統(tǒng)已經(jīng)由最初的膠片采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的CCD相機采集系統(tǒng)[2]，每秒傳輸?shù)膱D像幀數(shù)最高可達106量級。同時PIV的照明系統(tǒng)也由最初的簡單照明系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈叩哪芰枯敵龊透叩募ぐl(fā)頻率的脈沖激光照明系統(tǒng)，這可以實現(xiàn)圖像的清晰高速捕捉。隨著PIV圖像采集系統(tǒng)的逐步升級，其可采集的流場空間范圍由二維拓展到三維，對于三維流場的檢測技術(shù)主要分為立體PIV、全息PIV、層析PIV，立體PIV主要是通過多個相機在不同機位對流場進行檢測；全息PIV主要是利用全息底片記錄流場的干涉光和物光而對流場進行檢測；層析PIV主要是在立體PIV的基礎(chǔ)上利用多個相機捕捉流場中多層流動面，而后逐層顯示出流場數(shù)據(jù)。

現(xiàn)如今，PIV已經(jīng)廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)相關(guān)領(lǐng)域，在船舶、航空、機械、土木等方面的研究中都發(fā)揮了重要作用，使得研究中對于流體的流場數(shù)據(jù)有了更加準(zhǔn)確的檢測結(jié)果，這對于相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展具有較大的意義。

3 在船舶領(lǐng)域研究的應(yīng)用

隨著船舶的發(fā)展，對船舶相關(guān)的流場研究也逐步深入，尤其是對于船舶水下結(jié)構(gòu)和船舶推進器構(gòu)造等方面的研究，這些研究所涉及的流體運動的流場數(shù)據(jù)是進行分析計算的關(guān)鍵所在，因此PIV技術(shù)可以在船舶領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)較為廣泛的應(yīng)用。

3.1 客滾船風(fēng)阻流場的PIV研究

客滾船目前在國內(nèi)已有很多，客滾船在水上運輸中起到的作用已經(jīng)越來越大，對于客滾船在運行中所受的風(fēng)阻不僅影響船體運行的機械效率，也影響船體運行的穩(wěn)定性。孫寒冰等[3]為了研究客滾船在不同氣流影響下的風(fēng)阻大小，利用PIV分析了客滾船在不同風(fēng)速和風(fēng)向流場分布，得到了縱向、橫向以及水平向的空氣流場數(shù)據(jù)。在他們的研究中，使用粒徑20 μm的橄欖油分子作為示蹤粒子，使用激光器和柱面透鏡產(chǎn)生片光源，使用風(fēng)洞產(chǎn)生氣流驅(qū)動示蹤粒子運動，使用CCD相機進行圖像捕捉，使用縮比為1∶100的某客滾船模型作為實驗對象，檢測了客滾船模型在不同風(fēng)向情況下的氣流流場，實驗示意圖見圖2。

通過對PIV檢測得到的流場數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)客滾船進行側(cè)滑角逐漸由0°變?yōu)?80°，風(fēng)阻呈現(xiàn)拋物線變化規(guī)律，偏航力矩呈現(xiàn)先正后反的變化規(guī)律，并且氣流在船體后側(cè)會出現(xiàn)一定的分離渦。

3.2 船艏入水的PIV研究

艦船在海面上長期航行的過程中會有大量海水與船體的相互作用，這些相互作用所產(chǎn)生的液流呈現(xiàn)出明顯的流體規(guī)律。佘文軒等[4]為了研究曲率條件復(fù)雜的船艏邊界，在入水過程中流場的動態(tài)演變及其相關(guān)現(xiàn)象的發(fā)生機理，使用PIV技術(shù)對艦艏下水的動態(tài)過程進行圖像捕捉，使用縮比為1∶200的艦艏模型研究了3 600 TEU集裝箱船的艦艏入水過程。在他們的研究中，使用粒徑20 μm的聚酰胺微珠作為示蹤粒子，使用激光器和柱面透鏡產(chǎn)生片光源，使用CCD相機進行圖像捕捉，分別檢測了艦艏在初速度為0.99 m/s和3.33 m/s情況下入水的流場變化過程。

通過對PIV檢測得到的流場數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，艦艏以0.99 m/s速度入水時加速度變化較慢，過程中會產(chǎn)生一個低速的射流，射流會受艦艏內(nèi)凹壁面引導(dǎo)產(chǎn)生一個低速的流動鞍點；而以3.33 m/s速度入水時加速度變化較快，會發(fā)生兩次較大程度的流體抨擊，過程中會產(chǎn)生一個脫離艦艏內(nèi)凹壁面的高速射流。

3.3 潛艇水動力的PIV研究

潛艇在水下潛行時受到來自水的阻力是影響潛艇正常運行的重要因素，對潛艇潛行時周身的流場研究可以對潛艇所受的運行阻力進行更加準(zhǔn)確的測算，這對于潛艇的改造升級有著巨大的作用。周廣利等[5]為了更清晰地展示《潛艇潛器水動力測試原理與設(shè)備》本科課程中潛艇在水中的運行情況，使用PIV技術(shù)展示潛艇在水中的流場。在他們的研究中，使用粒徑44 μm的空心玻璃微珠作為示蹤粒子，使用激光器和柱面透鏡產(chǎn)生片光源，使用CCD相機進行圖像捕捉，使用循環(huán)水槽產(chǎn)生液流，使用縮比為1∶50的潛艇模型作為實驗對象，展示了潛艇在水中運行的流場變化情況。

通過對潛艇水動力的PIV研究，得到了一定流速下潛艇中縱剖面的瞬態(tài)流場速度圖，再將多個瞬態(tài)圖進行平均處理可以得到時均流場速度云圖，這對于潛艇水動力的展示更加細致，實現(xiàn)了傳統(tǒng)實驗教學(xué)所不能達到的高度。

4 在航空領(lǐng)域研究的應(yīng)用

航空是人們通過飛行器在地球大氣層進行飛行的活動。在航空工程領(lǐng)域的研究主要在于各種飛行器的研發(fā)改造，飛行器的升空航行主要需要依靠對于空氣流體有效掌控，因此利用PIV技術(shù)在航空領(lǐng)域?qū)怏w流場的檢測就具有重要意義。

4.1 航空發(fā)動機回流燃燒室的PIV研究

燃燒室是航空發(fā)動機的核心部件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)劣會直接影響到發(fā)動機的工作性能。劉濤等[6]為了對航空發(fā)動機的回流燃燒室內(nèi)部冷態(tài)流場實現(xiàn)精細化測量，自主搭建了一套內(nèi)窺式PIV系統(tǒng)對其內(nèi)部冷態(tài)流場進行了流場檢測。這套內(nèi)窺式PIV系統(tǒng)主要由供氣系統(tǒng)、PIV成像設(shè)備、激光器組成。在他們的研究中，使用粒徑2 μm的癸二酸二異辛酯作為示蹤粒子，使用激光器和柱面透鏡產(chǎn)生片光源，使用CCD相機進行圖像捕捉，再通過內(nèi)窺鏡分別將激光發(fā)射孔和相機觀測孔從不同的位置連接至燃燒室的流場檢測區(qū)，用來檢測得到回流燃燒室運行時的流場，實驗示意圖見圖3。

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，通過內(nèi)窺鏡對回流燃燒室進行PIV檢測的方案是可行的。PIV系統(tǒng)對回流燃燒室的流場檢測圖像比較清晰，可以達到較高的分辨率，在回流燃燒室內(nèi)可以觀測到明顯的射流。

4.2 機翼結(jié)構(gòu)流型的PIV研究

機翼是飛行器的關(guān)鍵部件，是使飛行器充分轉(zhuǎn)化空氣動力的重要部分。夏天宇[7]為了改進飛行器中的機翼結(jié)構(gòu)，使其更加符合空氣動力學(xué)，使用PIV技術(shù)研究了機翼結(jié)構(gòu)的氣流流動特性。在他的研究中，使用丹麥Dantec公司研發(fā)的PIV系統(tǒng)進行檢測，使用3D打印的30P30N標(biāo)準(zhǔn)翼型三段翼作為實驗對象，通過針對實驗對象自行修改的激光光路照明，得到了主翼后側(cè)、襟翼縫道、襟翼表面的氣流流場數(shù)據(jù)。

通過對特定機翼結(jié)構(gòu)的PIV研究，發(fā)現(xiàn)通過改變激光照明的光路可使PIV系統(tǒng)對于特定機翼結(jié)構(gòu)進行更為清晰的流場顯示，并發(fā)現(xiàn)改變襟翼縫道寬度可使機翼更易于飛行器爬升。

4.3 射流管電液伺服閥的PIV研究

射流管電液伺服閥是通過電氣模擬信號調(diào)節(jié)射流的流量和壓力的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于軍用飛機、民航客機、核電、汽輪機等領(lǐng)域。來自中船重工集團的第七〇四研究所的黃增等[8]為了對射流管伺服閥的嘯叫問題進行研究，利用PIV技術(shù)對射流管伺服閥中心平面進行流場檢測，得到了射流管電液伺服閥開啟后清晰的閥內(nèi)流場數(shù)據(jù)。

他們研究發(fā)現(xiàn)，射流管電液伺服閥發(fā)生嘯叫的主要原因是閥內(nèi)接收器腔在液壓進行過程中會產(chǎn)生高速的渦流，進而引起共振導(dǎo)致伺服閥的嘯叫。由此他們改進了射流管電液伺服閥的結(jié)構(gòu)，使用套筒加裝在閥體上，這對于改善伺服閥內(nèi)部流動和減小伺服閥嘯叫起到了很大作用。

5 在機械領(lǐng)域研究的應(yīng)用

機械工程是利用物理定律對機械系統(tǒng)進行設(shè)計和制造的工程，在機械領(lǐng)域與流體相關(guān)的各種設(shè)計制造都需要精確考慮流體的流動，PIV技術(shù)在機械領(lǐng)域研究的應(yīng)用可以對相關(guān)機械的設(shè)計制造提供更為豐富的參考。

5.1 風(fēng)力機葉尖渦初始渦量值演變規(guī)律的PIV研究

風(fēng)力機是借助風(fēng)力驅(qū)動葉片旋轉(zhuǎn)的機械裝置，其中的葉片是承載風(fēng)力轉(zhuǎn)化的重要部件，風(fēng)能轉(zhuǎn)化的機械效率與風(fēng)力機葉片的結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系，氣流在葉片旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的葉尖渦，可使氣流在葉片旋轉(zhuǎn)過程中保持基本流場。呂文春等[9]對風(fēng)力機葉片氣流產(chǎn)生的葉尖渦進行了PIV研究，相比于之前的數(shù)值計算研究可以得到更加清晰的流場數(shù)據(jù)，有利于對葉尖渦流場進行更準(zhǔn)確的分析。在他們的研究中，使用小型水平軸風(fēng)力機（葉片是SD2030翼型）作為實驗對象，使用風(fēng)洞產(chǎn)生氣流，在氣流驅(qū)動葉片發(fā)生旋轉(zhuǎn)時檢測葉片的氣流流場，使用CCD相機進行圖像拍攝，得到了在不同風(fēng)速、風(fēng)向、葉片轉(zhuǎn)速情況下葉尖渦渦量的變化情況，實驗示意圖見圖4。

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)力機葉片產(chǎn)生的葉尖渦渦量與風(fēng)速、風(fēng)向偏航角、葉片轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，葉尖渦初始渦量值隨著葉尖速比的增大而近似呈現(xiàn)遞增規(guī)律；當(dāng)風(fēng)速和葉片轉(zhuǎn)速恒定時，葉尖渦初始渦量會隨著偏航角的增大而迅速下降；當(dāng)風(fēng)速和偏航角恒定時，葉尖渦初始渦量值會隨著葉片轉(zhuǎn)速的增大而增大；當(dāng)偏航角和葉片轉(zhuǎn)速恒定時，葉尖渦初始渦量會隨著風(fēng)速的增大而減小。

5.2 全域風(fēng)空調(diào)出風(fēng)形態(tài)的PIV研究

隨著我國經(jīng)濟水平的不斷提高，空調(diào)已經(jīng)成為眾多家庭里必備的家用電器之一，人們對于空調(diào)舒適性的需求日益突出，對于空調(diào)出風(fēng)系統(tǒng)的改進就尤為重要。吳雪良等[10]為了改進傳統(tǒng)空調(diào)冷風(fēng)直吹的問題，專門使用PIV技術(shù)對室內(nèi)空調(diào)不同的出風(fēng)模式進行氣流流場檢測，得到了豐富的氣流流場數(shù)據(jù)。在他們的研究中，使用醫(yī)用石蠟油作為示蹤粒子，使用激光器和柱面透鏡產(chǎn)生片光源，分別使用全域風(fēng)空調(diào)和普通空調(diào)作為實驗對象，使用CCD相機進行圖像拍攝，分別檢測了全域風(fēng)空調(diào)和普通空調(diào)在不同參數(shù)設(shè)置下的出風(fēng)氣流流場。

他們的研究發(fā)現(xiàn)，全域風(fēng)空調(diào)相比普通空調(diào)，所采用的送風(fēng)通道初始風(fēng)速較大、氣流傾斜角度較小，并且可使兩股氣流混合進行送風(fēng)，這可以避免冷風(fēng)直吹的同時實現(xiàn)遠距離送風(fēng)，在不犧牲風(fēng)量或冷量的情況下提升送風(fēng)的舒適性。

5.3 仿生鯨尾型攪拌槳反應(yīng)器流場的PIV研究

攪拌反應(yīng)器適用于各類液體的攪拌反應(yīng)，在各種農(nóng)業(yè)、化工、醫(yī)藥的應(yīng)用中發(fā)揮了重要的作用。韓定強等[11]自行設(shè)計了一種仿生鯨尾型攪拌槳，即WTT攪拌槳，這種攪拌槳與傳統(tǒng)的RT攪拌槳有不同的液體攪拌效果，使用PIV技術(shù)對兩種攪拌槳在反應(yīng)器內(nèi)攪拌時的流場進行了檢測，得到了各攪拌槳在反應(yīng)器內(nèi)的詳細流場數(shù)據(jù)。在他們的研究中，粒徑44 μm的空心玻璃微珠作為示蹤粒子，使用CCD相機進行圖像拍攝，得到了RT攪拌槳和WTT攪拌槳在不同攪拌速度下的流場數(shù)據(jù)。

他們經(jīng)過對流場數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，WTT攪拌槳在攪拌過程中徑向速度較大，機械效率更高，可使攪拌的流體實現(xiàn)更充分的混合。

6 在土木領(lǐng)域研究的應(yīng)用

土木工程是人們?yōu)榱诵藿ɑ蚋脑旄黝愅聊驹O(shè)施等所進行的工程，其中包括勘察、規(guī)劃、設(shè)計、施工、安裝和維護等各項技術(shù)工作。在進行各項土木工程的技術(shù)工作中，有時需要考慮到液流或者氣流對工程結(jié)構(gòu)帶來的影響，這種情況下使用PIV技術(shù)對其中的流場進行檢測就可以使得工程的進行更加符合流體力學(xué)規(guī)律，受到更小的流體影響。

6.1 沖刷狀態(tài)下樁土變形機制的PIV研究

樁土是用于固定土木設(shè)施的重要基礎(chǔ)，通常深埋于地下，需要包括承擔(dān)地上土木結(jié)構(gòu)的垂直荷載，以及風(fēng)、波浪、撞擊等因素造成的水平荷載。楊曉峰等[12]為了研究沖刷狀態(tài)下樁土的變形機制，使用PIV技術(shù)對模擬的細沙樁土進行分析，得到了細沙樁土在沖刷狀態(tài)下發(fā)生變形的詳細流場數(shù)據(jù)。在他們的研究中，使用自制的模型箱作為樁土床裝容器，使用粒徑為1.1 mm的細沙樁土顆粒作為示蹤粒子，分別使用直徑為20 mm和50 mm的半圓柱作為模型樁放置于細沙樁土中，使用CCD相機進行圖像拍攝，得到了在不同沖刷條件下的樁土水平變形數(shù)據(jù)。

他們經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樁土鋪設(shè)完成并安裝好樁體后，受到水平方向的荷載時，其土體位移和剪切應(yīng)變方向是朝樁體半徑方向和深度方向逐漸發(fā)展的。

6.2 階梯形丁壩水流結(jié)構(gòu)的PIV研究

階梯型丁壩在航道整治工程中有著巨大的作用，相比于單式斷面丁壩，可利用各級臺階分散壩頭的集中繞流，使局部沖坑深度減小的同時保持壩頭穩(wěn)定。王世鵬等[13]就階梯型丁壩的水流結(jié)構(gòu)進行了PIV研究，得到了水流流經(jīng)階梯型丁壩的詳細流場數(shù)據(jù)。在他們的研究中，使用自制水槽模擬階梯型丁壩，使用激光器和柱面透鏡產(chǎn)生片光源，使用CMOS相機進行圖像捕捉，得到了階梯型丁壩中水流的流速、雷諾應(yīng)力、紊動強度、紊動能等相關(guān)參數(shù)。

他們經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水流流經(jīng)階梯型丁壩時可以在縱剖面劃分出順流區(qū)、回流區(qū)、過渡區(qū)，順流區(qū)在上側(cè)，過渡區(qū)和回流區(qū)在下側(cè)，各區(qū)縱向時均流速總體相似，其他相關(guān)參數(shù)各有不同。

7 PIV的未來發(fā)展趨勢

目前PIV技術(shù)已經(jīng)比較成熟，在很多領(lǐng)域都可以檢測得到較為詳細的流場數(shù)據(jù)，為了使PIV技術(shù)能得到更廣泛的應(yīng)用，還需要在圖像捕捉和圖像分析上進行進一步的提高。

在圖像捕捉方面，可以從多個不同方位進行PIV圖像捕捉。段雙成等[14]為了實現(xiàn)更加準(zhǔn)確的PIV探測，使用了3臺CCD相機對水流直管進行圖像捕捉，并使用層析技術(shù)對流場進行逐層圖像捕捉，使得捕捉得到的流場數(shù)據(jù)更加立體化，實現(xiàn)了三機位層析PIV的技術(shù)突破。

在圖像分析方面，可以使用深度學(xué)習(xí)對PIV圖像進行分析修復(fù)，覃子宇等[15]為了使PIV檢測得到的燃燒室內(nèi)流場圖像更加清晰，使用深入學(xué)習(xí)的技術(shù)對圖像進行了異常檢測，并通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行自適應(yīng)修復(fù)，使流場可以更清晰地顯示出速度數(shù)值。此外，還有鄧志文等[16]就PIV系統(tǒng)中所產(chǎn)生的誤差推導(dǎo)出了誤差分布規(guī)律函數(shù)，再通過將其與連續(xù)伴隨算法耦合，可以優(yōu)化算法的目標(biāo)損失函數(shù)并提高抗誤差干擾能力。

8 結(jié)語

綜上所述，PIV作為流體力學(xué)普遍使用的流場檢測技術(shù)，已經(jīng)在船舶、航空、土木、機械、生物、土木等諸多領(lǐng)域體現(xiàn)了價值。隨著激光照明技術(shù)和相機成像技術(shù)的日益成熟，PIV在流場的檢測精度、檢測范圍和檢測方式上都已經(jīng)達到了較高水平，對于不同類別、不同形態(tài)的流體都可以實現(xiàn)有效檢測，包括氣體、液體和細沙流體都可以檢測得到詳細的流場數(shù)據(jù)。而且PIV也不僅限于使用相機鏡頭進行流場檢測，還可以使用內(nèi)窺鏡進行檢測，這使得PIV可以檢測的對象更加豐富。未來隨著PIV技術(shù)的進一步市場化，應(yīng)用領(lǐng)域會進一步增多，很多未曾預(yù)見到的應(yīng)用價值都將逐步顯現(xiàn)。