PIV測(cè)量系統(tǒng)介紹

PIV（Particle Image Velocimetry）系統(tǒng)，即粒子圖像測(cè)速技術(shù)，是七十年代末利用圖像處理技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種流動(dòng)測(cè)量技術(shù)。隨著近幾十年的不斷完善和發(fā)展，它克服了以往空間單點(diǎn)測(cè)量的局限，能夠進(jìn)行平面二維或空間三維流場(chǎng)測(cè)量，是一種非接觸的、瞬態(tài)、全場(chǎng)流場(chǎng)測(cè)量的技術(shù)[1]。

圖1 PIV系統(tǒng)在風(fēng)洞中測(cè)量車(chē)輛尾流[2]

傳統(tǒng)的流態(tài)顯示、單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)等為了解汽車(chē)周?chē)鲌?chǎng)的流動(dòng)機(jī)理、湍流結(jié)構(gòu)等方面做出了很大貢獻(xiàn)，提供了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但汽車(chē)是有著復(fù)雜曲面造型的運(yùn)動(dòng)體，其周?chē)牧鲌?chǎng)結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，這些技術(shù)方法仍然不能滿足更深層次流動(dòng)機(jī)理、湍流特性研究的需要。PIV技術(shù)作為研究各種復(fù)雜流場(chǎng)的一種基本手段，已廣泛應(yīng)用于各種流動(dòng)中，從定常到非定常、低速到高速、單相到多相，突破了空間單點(diǎn)測(cè)量的局限，可在同一時(shí)刻記錄整個(gè)測(cè)量平面的有關(guān)信息，從而獲得流動(dòng)的瞬時(shí)速度場(chǎng)、脈動(dòng)速度場(chǎng)、渦量場(chǎng)和雷諾應(yīng)力分布等，因此，PIV技術(shù)很適合湍流結(jié)構(gòu)復(fù)雜的流場(chǎng)測(cè)量[1]。

圖2 轎車(chē)尾流的大尺度PIV測(cè)量 https://www.lavision.de/en/applications/automotive/index.php

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室是研究汽車(chē)空氣動(dòng)力特性的重要方法之一，將PIV系統(tǒng)應(yīng)用于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，可有助于提高汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)特性測(cè)量精度和優(yōu)化效率。


圖3 PIV測(cè)量系統(tǒng)搭建在汽車(chē)風(fēng)洞中[1]

PIV系統(tǒng)組成和測(cè)量原理

PIV系統(tǒng)主要由成像系統(tǒng)、圖像分析系統(tǒng)、示蹤粒子發(fā)生器系統(tǒng)組成。成像系統(tǒng)由激光器、片光元件、導(dǎo)光臂、激光脈沖同步器、CCD攝像機(jī)組成；圖像分析系統(tǒng)主要由圖像采集板、圖像分析軟件及計(jì)算機(jī)組成；示蹤粒子發(fā)生器系統(tǒng)由示蹤粒子和煙霧發(fā)生器組成[1]。


圖4 PIV系統(tǒng)的組成[4]

在利用PIV技術(shù)測(cè)量流速時(shí)，需要在流場(chǎng)中均勻散布跟隨性、反光性良好且比重與流體相當(dāng)?shù)氖聚櫫Ｗ印⒓す獍l(fā)生器產(chǎn)生的光束經(jīng)透鏡散射后形成一定厚度的片光源入射到流場(chǎng)待測(cè)區(qū)域，CCD相機(jī)以垂直于片光源的方向?qū)?zhǔn)該區(qū)域。利用示蹤對(duì)光的散射作用，記錄下兩次脈沖激光曝光時(shí)粒子的圖像，形成兩幅PIV底片（即一對(duì)相同待測(cè)區(qū)域、不同時(shí)刻的圖片），底片上記錄的是整個(gè)待測(cè)區(qū)域的粒子圖像。采用圖像處理技術(shù)將所得圖像分成許多很小的區(qū)域（稱為查問(wèn)域），采用自相關(guān)或互相關(guān)統(tǒng)計(jì)技術(shù)求取查問(wèn)域內(nèi)粒子位移的大小和方向，脈沖時(shí)間間隔已設(shè)定，粒子的速度矢量即可求出。對(duì)查問(wèn)域中所有粒子的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均可得該查問(wèn)域的速度矢量，對(duì)所有查問(wèn)域進(jìn)行上述判定和統(tǒng)計(jì)可得出整個(gè)流場(chǎng)的速度矢量場(chǎng)、渦量場(chǎng)、流線等流場(chǎng)特性參數(shù)分布。在實(shí)測(cè)時(shí)，對(duì)同一位置可拍攝多對(duì)曝光圖片，這樣能夠更全面、更準(zhǔn)確地反映出整個(gè)流場(chǎng)內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)[4]。


圖5 PIV測(cè)試技術(shù)基本原理 https://www.fithydro.wiki/index.php/File:Piv_2d_system.png

PIV測(cè)試技術(shù)在汽車(chē)風(fēng)洞中的應(yīng)用


圖6 PIV系統(tǒng)測(cè)量轎車(chē)尾流，并用移測(cè)架控制相機(jī)位置[2]


圖7 PIV系統(tǒng)測(cè)量某卡車(chē)模型尾流[5]


圖8 PIV系統(tǒng)測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)車(chē)輪尾部流場(chǎng)[6]


圖9 PIV測(cè)量汽車(chē)后視鏡尾流縱向垂直面和橫向垂直面
瞬態(tài)速度域[6]

展望

傳統(tǒng)常規(guī)的二維PIV系統(tǒng)主要通過(guò)一個(gè)CCD或CMOS相機(jī)測(cè)量二維平面兩個(gè)方向的速度分量（2D2C）；Stereo PIV可以使用兩個(gè)相機(jī)通過(guò)一個(gè)平面測(cè)量三個(gè)方向的速度分量（2D3C）。如今，PIV技術(shù)不斷迭代更新以及對(duì)流場(chǎng)測(cè)速新課題的挑戰(zhàn)不斷出現(xiàn)，迫切需要三維PIV的深入研究和實(shí)踐，如Volumetric PIV（或TOMO PIV）可以通過(guò)兩個(gè)或更多相機(jī)測(cè)量空間內(nèi)的三個(gè)方向的的速度分量（3D3C），對(duì)流場(chǎng)某個(gè)容積內(nèi)瞬時(shí)或連續(xù)的三維速度測(cè)量等，以更好地揭示流場(chǎng)內(nèi)部復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，更深刻地反映流場(chǎng)的流動(dòng)機(jī)理，從本質(zhì)上反映流場(chǎng)的性質(zhì)。

當(dāng)前，為了完善汽車(chē)周?chē)鲌?chǎng)的測(cè)量方法并提高測(cè)試效率，有學(xué)者已經(jīng)通過(guò)外出服和自動(dòng)控制技術(shù)，開(kāi)發(fā)出二維粒子成像冊(cè)數(shù)系統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)量技術(shù)（自動(dòng)PIV）。甚至也有利用機(jī)械人PIV系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛周?chē)S流場(chǎng)自動(dòng)且連續(xù)地測(cè)量。


圖10 機(jī)器人PIV系統(tǒng)測(cè)量汽車(chē)模型風(fēng)洞流場(chǎng)[7]


參考文獻(xiàn)：
[1] 陳細(xì)軍等，PIV技術(shù)在汽車(chē)模型風(fēng)洞中的應(yīng)用，2009
[2] Timo Kuthada et al., The Effects of CoolingAir on the Flow Field around a Vehicle,2016
[3] Yuyu Zhu et al., Application of theVortex Identifcation Algorithms in the Study of the Shear Layer in A 3/4 OpenJet Automotive Wind Tunnel, 2018
[4] 張英朝等，汽車(chē)風(fēng)洞的PIV試驗(yàn)技術(shù)，2009
[5] James T. Heineck et al., 3D PIV inWind Tunnel Applications Measurements of a Truck Wake, 1999
[6] Antonello Cogotti et al., Presentation of Flow FieldInvestigation by PIV on a Full-Scale Car in the Pininfarina Wind Tunnel, 2000
[7] Andrea Sciacchitano et al., Investigation of the Ahmed bodycross-wind flow topology by robotic volumetric PIV, 2019