PIV測速原理與應用

第24卷第1期西華大學(xué)學(xué)報·自然科學(xué)版2005年1月Vol 24. No. 1Journal of Xihua University. Natural Science文章編號:1673159X(2005)01-001902PIV測速原理與應用楊小林,嚴敬(西華大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院四川成都610039)摘要:隨著(zhù)計算機技術(shù)、圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展,近10年來(lái)PIV技術(shù)有了長(cháng)足的發(fā)展。本文作者詳細闡述了PV系統的測速原理及實(shí)驗數據采集、分析計算過(guò)程,并采用先進(jìn)的PV系統在改型葉輪內進(jìn)行實(shí)驗研究首次成功獲得葉輪軸向旋渦瞬態(tài)流場(chǎng)關(guān)鍵詞PIV;測試原理;數據采集;軸向旋渦中圖分類(lèi)號:TH311文獻標識碼:APrinciples for the measurement and Image Processing Using PIVYANG Xiao-lin, YAN JingSchool of Energy and Environment, Xihua University, Chengdu 610039 China)Abstract: With the fast development of PC and image processing, great progress in PlV has beenhors analyze the principle of PIv system in detailquisition and processing of experimental data, and conduct experimental investigation for relative eddyin a modified impeller passage by employing an advanced PIv system. For the first time, the velocitydistribution in the inner flow fields of relative eddy is obtained successfully.Key words PIV; principle; data acquisition; relative eddy在明渠、管道以及泵和水輪機的葉輪內部,流體流動(dòng)規律的準確測定是發(fā)展流動(dòng)理論和提高水激光力設計水平的一個(gè)重要環(huán)節。流速測量的方法很多,隨著(zhù)計算機技術(shù)與圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展旋轉流場(chǎng)觸發(fā)器同步產(chǎn)生了PIv( Particle Image Velocimetry)這種既能D克服流場(chǎng)單點(diǎn)測量局限,又能進(jìn)行全流場(chǎng)瞬時(shí)、非柱面鏡接觸測量的測試技術(shù)。本文作者主要介紹PⅣV技術(shù)的測速原理以及它在離心葉輪軸向旋渦流研究計算機中的應用。1PIV測速原理及數據采集圖1PV系統示意圖1.1PIV測速原理圖1為PIV系統示意圖。中均中國煤化且比重與流體相當在利用PV技術(shù)測量流速時(shí)需要在二維流場(chǎng)的示YHa束經(jīng)透鏡散射后形NMHG收稿日期:2004060基金項目:四川省教育廳重點(diǎn)科研資助項目(編號:0224954作者簡(jiǎn)介:楊小林(1975-),女,四川省大邑縣人,西華大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院講師碩士,主要研究流體力學(xué)及流體機械。西華大學(xué)學(xué)報·自然科學(xué)版2005年成厚度約1mm的片光源入射到流場(chǎng)待測區域,步器等的設置( laser setup、 computer controlled camCCD攝像機以垂直片光源的方向對準該區域。利 era setup、 summary、 synchronizer setup、 camera set-用示蹤粒子對光的散射作用,記錄下兩次脈沖激光up)。單擊 Insight菜單中的 Archive Data Selection曝光時(shí)粒子的圖像,形成兩幅PⅣ底片(即一對相選擇要捕獲的圖像的數據源,設置曝光和捕獲圖像同待測區域、不同時(shí)刻的圖片),底片上記錄的是整的模式及激光曝光的時(shí)間和能量強度。在系統控制個(gè)待測區域的粒子圖像。整個(gè)待測區域包含了大量工具欄中點(diǎn)擊 Begin Image Acquisition開(kāi)始獲取圖的示蹤粒子,很難從兩幅圖像中分辨出同一粒子,從像,按 Stop Operation停止曝光。然后單擊poes而無(wú)法獲得所需的位移矢量。采用圖像處理技術(shù)將etup設置處理圖像的參數( Image Shift/ Flow Di所得圖像分成許多很小的區域(稱(chēng)為查問(wèn)區),使用 rection/ Spot Offset、 Signal Levels、 Peak Search自相關(guān)或互相關(guān)統計技術(shù)求取查問(wèn)區內粒子位移的 Correlation Algorithms、 Velocity Calibration、Grd大小和方向脈沖間隔時(shí)間已設定,粒子的速度矢量 Setup),選擇矢量顯示模式。再打開(kāi) Insight菜單中即可求出(見(jiàn)圖2)。對查問(wèn)區中所有粒子的數據進(jìn)的 vector,在 leftfield中單擊Maco( Start Recording)行統計平均可得該查問(wèn)區的速度矢量,對所有查問(wèn)開(kāi)始計算,反復使用 Range、 Validate和Mean去除區進(jìn)行上述判定和統計可得出整個(gè)速度矢量場(chǎng)。在壞點(diǎn),并多次進(jìn)行平均插值,最后進(jìn)人 Vector vali實(shí)測時(shí),對同一位置可拍攝多對曝光圖片,這樣能夠 dation Setup進(jìn)行平均并保存計算結果。更全面更精確地反映出整個(gè)流場(chǎng)內部的流動(dòng)狀態(tài)。2PIV在葉輪軸向旋渦流研究中的應查問(wèn)區速度用葉輪流道軸向旋渦流是離心葉輪內特殊的流動(dòng)現象,為了實(shí)現對軸向旋渦流的測定,將葉輪出口邊封閉,實(shí)驗時(shí),用堵頭堵住進(jìn)口,這樣水流就在四個(gè)相互獨立、封閉的空間作相對旋轉流動(dòng)。試驗葉輪采用4個(gè)對數螺旋線(xiàn)葉片,葉片型線(xiàn)為r流場(chǎng)矢量圖19eun,葉片安放角取常數30°,葉片包角為154.35°,葉輪外徑為180mm,出口寬度為12mm圖2PIV原理圖排擠系數各半徑均為0.8827將 Insight軟件計算所得的軸向旋渦流絕對速PIV測速是基于最直接的流體速度測量方法。度矢量數據導入 Tecplot軟件,可直接顯示水質(zhì)點(diǎn)在己知的時(shí)間間隔△t內,流場(chǎng)中某一示蹤粒子在絕對速度矢量圖,見(jiàn)圖3。二維平面上運動(dòng),它在x、y兩個(gè)方向的位移是時(shí)間t的函數。該示蹤粒子所在處水質(zhì)點(diǎn)的二維速度可以表示為dx(t)r(t+At)-x(t)vdy(t)y(t+△t)-y(t)式中,vx、v為水質(zhì)點(diǎn)沿x、y方向的瞬時(shí)速度,可、普可為水質(zhì)點(diǎn)沿x、y方向的平均速度,4為測量的時(shí)間間隔。上式中,當Δ足夠小時(shí),可、可的大小可以精確地反映vx、vy。PIV技術(shù)就是通過(guò)測量示蹤粒子中國煤化工的瞬時(shí)平均速度實(shí)現對二維流場(chǎng)的測量。CNMH矢量圖12實(shí)驗數據的采集和分析計算Insight軟件是PIV系統作數據采集、分析和顯由于葉輪內水質(zhì)點(diǎn)的絕對速度矢量是其相對速示等任務(wù)的專(zhuān)用工具。在測試中,首先打開(kāi) Insight度和牽連速度的矢量和,按速度三角形分解可確定菜單中的 component setup進(jìn)行攝相機、激光器、同(下轉36頁(yè))西華大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版2005年化在自己的應用程序中控制源文檔。支持OLE自與加工驗證實(shí)驗,實(shí)驗結果表明該系統在實(shí)現圖紙動(dòng)化的應用程序向其它應用程序提供它們自己的對管理、工藝管理、NC程序管理統一的同時(shí),保證了象。例如,Word提供的對象有句子、段落或整個(gè)文數據的準確性、安全性與完整性,能完成預期的任檔; Excel提供的對象有宏,單元組或整個(gè)工作表。務(wù),從原理上實(shí)現了我們所提出的DNC集成加工我們通過(guò)OLE自動(dòng)化技術(shù)創(chuàng )建一個(gè)OLE自動(dòng)化對系統模式象來(lái)實(shí)現本系統與CAD軟件及 Excel的連接,最終參考文獻通過(guò)CAD軟件來(lái)完成對圖紙的編輯、修改,通過(guò)[1]張旭梅,劉飛,王時(shí)龍,等,集成DNC系統及其運行模式Excel來(lái)完成對工藝卡片的編輯、修改。探討J].計算機集成制造系統,1998,(2)當然,DNC集成加工系統的關(guān)鍵技術(shù)還有通訊[2]程濤,胡春華,吳波,等.分布式網(wǎng)絡(luò )化制造系統構想[J].中國機械工程,199,(1)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和管理技術(shù),限于篇幅這里就不再介[3]刑增平,等. Delphi5.0最佳專(zhuān)輯[M].北京:人民郵電出版紹社,2002.4結束語(yǔ)[4]飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心, SQL Server2000基礎與提高[M]基于上述過(guò)程我們進(jìn)行了一簡(jiǎn)單部件的設計北京電子工業(yè)出版社20(責任編輯:陳謹)(上接20頁(yè))由圖4可知:轉速n=400r/min時(shí),不同半徑相對速度矢量。圖4、圖5即為轉速n=400r/min相對速度大小從工作面到背面均有先減小后增大的時(shí)在不同半徑處軸向旋渦流相對速度大小分布及矢趨勢,且葉片背面附近相對流速比工作面相對流速量圖高。同時(shí),隨著(zhù)半徑的增大,相對流速增大,工作面背面的相對流速也呈增大趨勢,旋轉的葉輪將其入n=400r/min不同半徑處相對速度大小口附近變化較大的相對流速分布逐漸轉化為出口附近變化較均勻的相對流速分布。由圖5可知:從工作面到背面,相對速度方向在初始段先指向軸心,與圓周切線(xiàn)方向夾角30°左右50逐漸減小,而后相對速度方向反向,轉而指向出口,與圓周切線(xiàn)方向夾角從幾度逐漸增大直到背面的工面0203角度08臨0°。這與文獻[1]的理論計算結果一致。3結論圖4n=400r/min不同半徑處相對速度大小圖PIV技術(shù)已廣泛應用于復雜流場(chǎng)的研究中,揭示了許多用傳統測試技術(shù)無(wú)法觀(guān)測到的流動(dòng)瞬時(shí)結構現象,對流體機械內部流動(dòng)的研究、改進(jìn)流體機械設計和性能具有重要意義。本文作者應用PIV技術(shù)對葉輪軸向旋渦內部流動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗研究,實(shí)驗結果說(shuō)明PIV技術(shù)在軸向旋渦內流場(chǎng)測試研究方面是相當直觀(guān)和可靠的。參考文獻[1] F.C. Visser. Fluid flow in a rotating low-specific-speed cen-trifugal impeller passage. Fluid Dynamics Research[J].1999, 24: 275.292中國煤化工CNMHG試技術(shù)及其在離心氧中的應用圖5n=400r/min相對速度矢量圖[3]孫鶴泉康海貴,李廣偉.PIV原理與應用[J].水道港口2002,(1):4245(責任編輯:夏書(shū)林)