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1、第12卷第2期流体力学实验与测量Vol.12,No.2EXPERIMENTSAND1998年6月MEASUREMENTSINFLUIDMECHANICSJun.,1998XPIV在低速风洞中的应用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PIV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PIV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PIV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PIV系统,反
2、映了近几年来PIV技术的一些新特点:一体化大能量双激光器系统、TSI公司的互ö自相关CCD和高速帧采集板(FrameGrabber)等。关键词在线式PIV;互相关;风洞测量;圆柱绕流;翼型尾流中图号V211.7;O357.50引言PIV(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PIV作为一种可靠的整体测量技术,获得了普遍的接受。PIV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
3、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PIV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PIV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,PIV也是一种先进的研究复杂流动的定量工具。此外,三维PIV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。
4、由于PIV技术的上述发展,将PIV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PIV系统,以低速风洞中的圆柱绕流和翼型尾流为例,对PIV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PIV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PIV系统的配置,基本上体现了近几年发展并成熟起来的PIV系统的一些特点:如一体化大能量的双激光器系统X收稿日期:199721020656流体力学实验与测量(1998年)第12卷(0.2Jö
5、Pulse);互ö自相关CCD;高速的图像采集板;以及基于WindowsNT4.0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PIV这类设备取得好的测量结果的关键技术之一。根据PIV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PIV、LDV等激光测速仪使用的LZL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
6、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Fig.1Sketchofthelowspeedwindtunnel表1流场校测结果Table1Windtunnelflowfieldcharacteristics动压稳定性:G≤0.5%速度均匀性:RV≤0.5%紊流度:E≤0.25%平均气流偏角:$A≤0.3°$B≤0.3°轴向静压梯度:LõûdCPödXû≤0.5%稳
7、定风速范围:10～80mös1.2在线式PIV系统1.2.1脉冲式双Nd:Yag激光器系统在本PIV系统中采用的激光器系统,是由两台Nd: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10Hz,每个脉冲能量为200mJ,两激光器脉冲间隔的可调整范围为200ns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ö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
8、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ö自相关CCD摄像机,第2期刘宝杰等:PIV在低速风洞中的应用57而且还需结合“跨帧”技术和数据矩阵快速传输
