第12卷　第2期流体力学实验与测量V o l.12,N o.2　EXPER I M EN T S AND　1998年6月M EA SU R E M EN T S I N FLU I D M ECHAN I CS Jun.,1998　P IV在低速风洞中的应用Ξ刘宝杰　王光华　高　歌北京航空航天大学,北京　100083袁辉靖北京大学特赛流动测量研究中心,北京　100871 摘要　利用在线式P I V系统,采用互相关的分析方法,以较高雷诺数下圆柱绕流和翼型尾流为例,对P I V在低速风洞实验研究中的应用作一简要介绍,旨在表明当前P I V技术的一些特点及其用于风洞实验研究的潜力。

实验中所采用的P I V系统,反映了近几年来P I V技术的一些新特点:一体化大能量双激光器系统、T S I公司的互 自相关CCD和高速帧采集板(F ram e Grabber)等。

关键词　在线式P I V;互相关;风洞测量;圆柱绕流;翼型尾流 中图号　V211.7;O357.50　引　言 P I V(粒子图像测速技术)是在流动显示技术的基础上,利用图像处理技术发展起来的一种新的流动测量技术,通过跟踪示踪粒子来判断速度的大小和方向。

当前P I V作为一种可靠的整体测量技术,获得了普遍的接受。

P I V技术的重要特点就是突破了空间单点测量技术的局限性,可在同一时刻记录下整个测量平面的有关信息,从而可以获得流动的瞬时平面速度场、脉动速度场、涡量场和雷诺应力分布等。

因此P I V非常适于研究涡流、湍流等复杂的流动结构,这是其它单点测量技术难以或无法做到的。

同时现在的P I V系统还具备了与单点测量仪器(如激光多普勒风速计LDV等)相当的空间分辨率。

因此即使仅限于二维测量,P I V也是一种先进的研究复杂流动的定量工具。

此外,三维P I V技术在近几年内也获得了较大的发展,期望在不久的将来能应用于实际流动测量。

风洞是流体力学研究的基本手段,一直受到了较高重视。

风洞的测量方法随着测试技术的飞速发展,也一直在不断地完善之中。

由于P I V技术的上述发展,将P I V直接应用于风洞等大型实验设备的研究,在国际已经得到了普遍的认可,实际应用的例子越来越多。

本实验是利用在线式P I V系统,以低速风洞中的圆柱绕流和翼型尾流为例,对P I V 在低速风洞实验研究中的应用作一简要介绍,旨在表明当前P I V技术的一些特点,及其应用于风洞这类大型实验设备研究的潜力。

本实验中所采用的P I V系统的配置,基本上体现了近几年发展并成熟起来的P I V系统的一些特点:如一体化大能量的双激光器系统Ξ:19971006(0.2J Pu lse );互 自相关CCD ;高速的图像采集板;以及基于W indow s N T 4.0的32位的图像采集、分析和后处理软件等。

由于上述技术的应用,使该系统具备了采集图像的实时显示和分析的能力。

在实际测量中,恰当的示踪粒子生成和散播,是P I V 这类设备取得好的测量结果的关键技术之一。

根据P I V 测量对示踪粒子的要求,并结合风洞的实验条件,本文作者通过合作开发了适于P I V 、LDV 等激光测速仪使用的L Z L 系列粒子发生器,基本可以满足这些实验的要求。

1　实验设备和方案1.1　低速风洞 本实验是在北京航空航天大学航空发动机国防科技气动热力重点实验室的多功能低速风洞中完成的,该直流式风洞采用了后部吸气方式(如图1所示),其矩形切角闭口式实验段的尺寸为0.56m ×0.8m ×1.5m 。

风洞的流场校测结果如表1所示。

图1　低速风洞结构示意图F ig .1　Sketch of the low speed wi nd tunnel表1　流场校测结果Table 1　W i nd tunnel f low f ield character istics动压稳定性:Γ≤0.5%速度均匀性:ΡV ≤0.5%紊流度:Ε≤0.25%平均气流偏角:∃Α≤0.3°∃Β≤0.3°轴向静压梯度:L d C P d X ≤0.5%稳定风速范围:10～80m s1.2　在线式P IV 系统1.2.1　脉冲式双Nd :Yag 激光器系统 在本P I V 系统中采用的激光器系统,是由两台N d :Yag 激光器及光路调整系统封装成一体的。

激光器的工作频率为10H z ,每个脉冲能量为200m J ,两激光器脉冲间隔的可调整范围为200n s 到0.1s ,因此可以满足从低速到高速流动的测量需要。

1.2.2　互 自相关CCD 对于高像密度的图像,其典型的从中提取粒子位移,进而获得速度的方法是自相关和互相关。

由于自相关函数的对称性,在自相关中通常要用到图像偏置或图像滞后等技术以解决位移方向的模糊问题。

而在互相关中,由于已知两帧图像的时间顺序,位移的方向问题也就解决了。

由于在互相关计算时只有一个信号峰值,而且在最理想的互相关计算中,没有粒子对的损失,所以互相关对粒子图像的分析能力有较大提高。

为了在较高速度下采用互相关的方法,不但需要新研制出的互 自相关CCD 摄像机,65流体力学实验与测量(1998年)第12卷而且还需结合“跨帧”技术和数据矩阵快速传输技术。

本实验中所使用的互 自相关CCD 摄像机的分辨率为640×480像素,采集速度为30帧 秒;所用的图像采集板支持60M s 的传输速率。

以上这些技术使得互相关的方法对于大多数的低速流动测量都是可以采用的。

1.2.3　图像采集软件 P I V 系统的控制和分析软件为In sigh t N T ,其工作平台是W indow s N T 4.0。

该软件具备连续捕获1000帧的高分辨率(1k ×1k )图像的能力;具有批处理功能,可以实现对不同的图像在相同的位置进行速度场分析。

1.2.4　P I V 系统布置及参数设置图2　P I V 系统示意图F ig .2　P IV syste m conf iguration P I V 系统的布置如图2所示。

在本实验中采用同步器使N d :Yag 激光器系统和R S 2170CCD 相匹配,在同步器上可以设置激光的工作方式(双脉冲式)、CCD 的工作方式、脉冲的延迟时间和双脉冲的时间间隔等。

CCD 、同步器和激光器的工作时钟匹配如图3所示。

系统工作时,CCD 的帧同步信号是主同步信号,同步器通过捕捉CCD 的脉冲信号,然后根据所设定的脉冲延迟时间和脉冲间隔时间来准确地控制激光器的发光。

图3　P I V 系统工作时钟示意图F ig .3　P IV syste m ti m i ng di agram CCD 的工作频率为30帧 秒,每两帧图像之间的最小时间间隔约为15Λs 。

受激光器的工作频率(10H z )的限制,系统的最大图像采集率为20帧 秒。

由于互相关需要两帧图像来进行图像分析,这样系统最大采样率为10个速度场 秒。

本实验采用一个由球面镜(FL :1000mm )和柱面镜(FL :200mm )组成的光学组件,将激光变为所需的片光。

在CCD 的采集区域内,片光的厚度小于1.0mm ,CCD 采集区域的大小约为40mm ×30mm 。

根据A drian (1990)数值模拟的研究表明,P I V 系统的若干参数的选择应遵循如下原则(互相关与其略有差别[6]): N I >10～20,即每个查问域内有效的粒子对应该多于10对。

这个要求是为了获得较高的有效数据率,而其实际上是对实验时散播的示踪粒子浓度提出了限制。

查问域(判读域)内的粒子对数目不仅取决于粒子散播的浓度,还取决于查问域的大小和激光脉冲之间75第2期刘宝杰等:P I V 在低速风洞中的应用的间隔。

u 2+v 2∃t <14d I M,即最大的粒子位移为查问域大小的25%。

这个要求是为了提高查问域中的有效粒子对的百分比,获得较高的有效数据率。

粒子位移与查问域尺寸之比,可以通过改变查问域的尺寸、图像偏置量和激光脉冲之间的间隔来实现。

w ∃t <14∃z 0,即粒子在垂直激光片光平面方向的最大位移为激光片光厚度的25%,该参数是为了防止有效粒子对的损耗。

为了控制这个参数,可以调节激光片光的厚度和激光脉冲之间的间隔。

∃u u<0.2,即查问域内速度的相对变化量不超过20%。

为了控制这个参数,应使查问域足够小,从而使得单个矢量能够充分地描述该测量点的流动状态。

1.2<D 0<1.5(D 0=∃6 d I ),即查问域内粒子影像最小的位移应该大于粒子影像直径的1.2倍,而小于粒子影像直径的1.5倍。

针对本实验所用的P I V 系统的配置,根据以上原则以及相应的实验风速,系统的几个参数的选择如下:脉冲的间隔时间:20～50Λs ;脉冲的延迟时间:83.265m s ;查问域为64×64P ixels (4.86mm ×4.86mm )。

1.3　示踪粒子 在运用P I V 系统进行流动测量时,成功的示踪粒子产生与散播是获得理想的测量结果的保障,也是制约P I V 应用的限制条件之一。

为了能够准确测量高速流动、湍流和分离流等复杂流动,示踪粒子必须具备:良好的跟随性;对所用激光有较高的散射率;而且在测量域内散播的示踪粒子浓度必须恰当。

因此示踪粒子从产生到散播,都必须精心设计。

示踪粒子的跟随性主要取决于粒子的直径,粒子的密度和形状等参数也有一定的影响。

在定常加速流中,L ou renco (1994)计算了粒子直径对粒子跟随性的影响,其结果表明:较大的粒子在强加速流动中存在明显的滞后;为了较好地跟踪高速流动,示踪粒子的直径应在0.5Λm 左右。

根据P I V 测量对示踪粒子的要求,结合风洞的实验条件,本文作者通过合作开发了适于P I V 、LDV 等激光测速仪使用的L Z L 系列粒子发生器。

L Z L 21型粒子发生器是针对P I V 测量而开发的,其工作原理示意图如图4所示:物料由直流调速泵注入蒸发器,在蒸发器中加热至合适的温度,然后喷入粒子混合器,在粒子混合器中冷凝成烟雾并与空气均匀混合后输出(见图4)。

L Z L 系列粒子发生器具有较高的控温精度,从而保证了所生成的图4　L Z L 21型粒子发生器原理示意图F ig .4　Sketch of the particle generator pr i nc iple 粒子质量;为了提高其工作的可靠性,该系列粒子发生器还设置了低液位警告,超、低温保护及报警功能。

L Z L 系列粒子发生器的主要特点如下:可连续、均匀、稳定地发烟粒径范围为0.6～1.2Λm可以更换物料对人体无害85流体力学实验与测量(1998年)第12卷良好的经济性 为了保证示踪粒子散播时不干扰流场,在本实验中,示踪粒子是由粒子发生器出口通过导管直接引到风洞入口处的,导管的末端接有一圆转方的扩张段。