PIV技術(shù)的原理及其應用領域

利用粒子圖像的高密度分布模式獲取網(wǎng)格點速度的方法被稱為粒子成像測速(PIV)，用于跟蹤低粒子數(shù)密度的每個粒子的方法被稱為粒子跟蹤測速(簡稱PTV)。

粒子識別是PIV的主要難點，高精度的測量需要在測量流場中有足夠數(shù)量的粒子。如果流體在流場中的運動是復雜的，例如在高速或強旋轉(zhuǎn)的情況下，很難識別連續(xù)圖像幀中的每個粒子。

PIV沒有標準的測量系統(tǒng)，每種類型的PIV都需要安裝硬件和軟件來測量流場。盡管現(xiàn)在應用了許多類型的PIV，但它們?nèi)匀挥幸恍┩ㄓ昧鞒?。PIV測量包括四個階段：①釋放粒子，②照明，③拍攝和④圖像處理。為了精確的PIV測量，每個階段都應該在整個實驗中嚴格執(zhí)行。

PIV測量的階段詳細如下：①釋放粒子：當粒子具有良好的流體流動可追溯性行為時，粒子速度通常表示局部流體速度。②照明：在二維PIV測量中，光散射示蹤粒子的流場由一個均勻的光片照亮，通常來說光源是由三角棱鏡和圓柱透鏡引導的激光，光板的厚度約為1~2mm，并調(diào)整光強，使示蹤粒子可以清晰被拍到。③拍攝：要執(zhí)行 PIV 分析，需要從流場中對相機進行兩次激光曝光。起初，由于攝像機無法高速捕獲多個幀，因此在同一幀上捕獲了兩個曝光，并且此單個幀用于確定流量。此分析使用了稱為自相關(guān)的過程。然而，由于自相關(guān)流的方向變得不清楚，因為不清楚哪些粒子點來自第一個脈沖，哪些粒子點來自第二個脈沖。自那時以來，開發(fā)了使用CCD或CMOS芯片的更快的數(shù)碼相機，可以高速捕獲兩幀，幀之間只有幾百 ns 的差異。這使得每個暴露都能夠在其自己的框架上隔離，以進行更準確的交叉相關(guān)分析。④圖像處理：圖像處理是PIV測量中較重要的階段。首先，記錄粒子運動的圖像被傳輸?shù)紸/D轉(zhuǎn)換器以獲得數(shù)字圖像。然后，對數(shù)字圖像進行處理。處理包括去除噪聲，平滑，將灰度圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像，標記粒子，計算粒子的重心坐標。然后，將粒子的坐標從圖像平面轉(zhuǎn)移到物理平面。然后，用各種方法計算粒子速度矢量。

由于其強大的優(yōu)點，PIV技術(shù)已被公認為較先進的流動測速技術(shù)，并在世界范圍內(nèi)迅速普及。應用領域一直在擴大，如湍流測量，多相流，流體機械內(nèi)部流動，生物工程，醫(yī)學工程，環(huán)境工程，能源工程，新材料開發(fā)，體育科學，生命科學，機電一體化，機器人技術(shù)等。此外，PIV已被認為是包括多相流在內(nèi)的熱工和流體工程領域的一種強有力的新測量工具，并且，PIV的應用擴展到確定二維和三維兩相流體流動中的速度場。因此，PIV是研究流動結(jié)構(gòu)的一種有前途和強大的工具。

【來源：光虎光學內(nèi)部培訓資料】