PIV技术的应用与发展

孔维波

(兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070)

PIV(粒子图像测速)技术是一种建立在图像互相关分析基础上的现代流场测量技术。该技术综合了显示测量技术和单点测量技术的优点，在能够显示所测流场整体结构的同时又保证了测量的分辨率和精度。它能够在对流场不产生任何干扰的前提下，实现对流场瞬态的测量，并且具有非常高的分辨率和精度，目前已成为流场测量实验中应用最为广泛的技术之一。

1 PIV技术的发展

PIV技术是20世纪80年代发展起来流体力学测速方法。近些年来，随着计算机技术、芯片技术、激光技术等多种技术的飞快发展，PIV技术越来越成熟，应用也越来越广泛，现已成为研究湍流、涡流等复杂流动结构的有力工具[1]。PIV从原理发展成为一种实用的技术首先要归功于Keane和Adrian所做出的贡献。Keane[2]等人利用自相关分析的询问结果来研究无量纲参数。Adrian[3]等人通过对PIV最佳参数的研究，消除了互相关询问中的信号偏差。Lawson[4]等人提出了将双脉冲PIV技术应用到高速流流场测量的理论。后来随着CMOS相机在PIV技术中的应用，数字高频 PIV 系统也应运而生。现如今三维粒子图像测速技术发展迅速，比如像多平面粒子图像测速(MPPIV)、立体粒子图像测速(SPIV)、扫描平面粒子图像测速(SPPIV)、层析粒子图像测速(TPIV)和全息粒子图像测速(HPIV)等多种粒子图像技术的应用也越来越广泛。

2 PIV系统的组成

PIV测量系统主要包括光源系统、PIV同步系统、图像拍摄系统以及图像分析系统四部分[5]，其各部分示意图见图1。

图1 PIV系统各部分示意图

2.1 光源系统

PIV技术测量流场时，首先要投入一定量示踪粒子，要求该示踪粒子不会对流场产生任何干扰，且保证较好的散光性和跟随性。然后利用亮度较高的片光源将需要测量的流场照亮，以便于图像拍摄系统对该部分流场进行图像采集。同时还要确保不需要采集图像的流场区域处于黑暗状态。

2.2 图像采集系统

图像采集系统主要包括透镜、高速相机以及激光片光源三部分。在采集图像时需要确保激光和高速相机处于相互垂直的位置上。同时采集图像的时间间隔需要根据具体的测量条件来确定，但是在满足实际测量情况的条件要尽可能地使激光发射的片光薄、曝光脉冲短，这样有利于测量结果的准确性。

2.3 PIV同步系统

PIV同步系统是控制高速相机和激光器协调运作的装置。在PIV技术用于测量流场时，其图像拍摄往往是在很短的时间内完成的，所以必须要确保在光源系统照亮待测流场的瞬间，高速相机要同时启动仪完成图像的采集。除此之外，PIV同步系统还具有控制高速相机采集图像的帧数、激光器的脉冲时间间隔等功能。

2.4 图像分析处理系统

图像分析处理系统是用来从两次曝光的粒子图像中提取所测流场的速度场数据。通过图像分析处理系统对高速相机拍摄到的粒子图像进行互相关分析，可以确定粒子的运动速度，进而得到所测流场的速度分布。除此之外，图像分析处理软件还具有图像剪辑、图像后处理、标定模块等功能。

3 PIV测量原理

PIV流场测量的原理是先在流场中投入一定量的示踪粒子，要求该示踪粒子要有良好的跟随性和散射性，并且不会对流场产生任何干扰，然后利用相机对流场测量区域连续拍照两次，同时得到两张所测区域的粒子图像，经图像的互相关分析，确定示踪粒子在两次拍照的时间间隔△t内的位移，再通过计算得到粒子的速度，最后批量处理，以获得整个拍摄流场区域的速度分布矢量图。

4 PIV技术在流场测量中的应用

随着计算机技术、激光技术以及图像处理技术的快速发展，PIV技术也越来越先进，使得其在许多复杂流动领域中的应用也越来越多。张振扬[6]等通过PIV技术测量了柴油机缸盖水套内的流场，并通过互相关分析了得到了该流场不同截面上的速度场、涡量场和湍流度等流动信息，对进一步研究柴油机缸盖水套内流场的结构，揭示冷却液的流动机理有着重要的意义；胡锋平[7]等将PIV技术应用于絮体检测，获得了粒度、分形维数等表征絮体特征的特性参数，反映了水力条件对混凝结果的影响；陈凯霖[8]等利用PIV技术观测明槽交汇区的水流结构，对干、支流交汇流场的研究具有重要的意义；李春丽[9]等利用PIV技术对浸没式膜生物反应器内近膜面的液相流场动力学特性进行了研究，得到膜面附近的液相流场数据以及液相流的涡量特性，其研究结果为膜生物反应器系统的优化设计提供了研究经验和实验数据；王小兵[10]等利用PIV技术对双切向入口双锥水力旋流器内部流体流动的全流场进行了测量，对揭示水力旋流器内部流体流动特性作出了一定的贡献。

5 PIV技术的发展前景

二维PIV近几年来主要向着高频率、高精度的方向发展。除此之外，多相流PIV和微PIV也逐渐发展成熟。多相流PIV主要是应用于多相流动的测量，其主要思路是先将多相转化为单相，再利用已有技术分别对单相粒子图像进行处理，同样地，微PIV主要用于微小尺度流动下的流场测量,比如像关于微机械系统、生物芯片或者微机械系统等的研究。其原理和普通PIV基本相同,但在粒子布撒、流场照明方式以及图像获取等方面存在着较大差别。除此之外，在PIV技术出现以来，三维PIV一直是研究的重点方向，目前学者们也已提出了多种途径来实现三维流场的测量，而且三维PIV技术也已逐渐应用于科学研究。三维PIV技术的逐步推广，对诸如非定常、非周期性三维流动研究具有重要现实意义。