本科生《流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)》

——粒子圖像測(cè)速儀測(cè)量車輛流動(dòng)分離

虛擬實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

學(xué)號(hào)___________________

姓名___________________

實(shí)驗(yàn)日期____________________

指導(dǎo)教師__________________

同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.掌握粒子圖像測(cè)速儀測(cè)量測(cè)量速度場(chǎng)的基本原理、應(yīng)用方法和測(cè)量過程中應(yīng)注意的

技術(shù)問題。

2.針對(duì)MIRA車型，采用粒子圖像測(cè)速儀測(cè)量流場(chǎng)，理解車輛尾跡基本結(jié)構(gòu)，流動(dòng)分

離的現(xiàn)象，分析流動(dòng)分離發(fā)生位置及其速度場(chǎng)特征。

二、基本原理

粒子成像測(cè)速(ParticleImageVelocimetry,簡(jiǎn)稱PIV)是一種瞬態(tài)、多點(diǎn)、無接觸

式的激光流體力學(xué)測(cè)速方法，能在同一瞬態(tài)記錄下大量空間點(diǎn)上的速度分布信息，提

供豐富的流場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)以及流動(dòng)特性。它具有描述流場(chǎng)動(dòng)態(tài)特性的能力，其最大特點(diǎn)

是獲得流場(chǎng)視頻信號(hào)，可以觀察流場(chǎng)中粒子質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

PIV測(cè)量的基本原理是：

1.測(cè)量流速時(shí)，向流場(chǎng)中均勻散布示蹤粒子；

2.將激光器產(chǎn)生的光束經(jīng)透鏡散射后形成片光源射入待測(cè)區(qū)域，利用示蹤粒子對(duì)光的

散射，每次拍攝連續(xù)記錄兩次脈沖激光曝光時(shí)粒子的圖像，形成兩幅PIV照片，

即同一待測(cè)區(qū)域兩個(gè)瞬時(shí)的影像。

3.拍攝完成后，照片上記錄了整個(gè)待測(cè)區(qū)域的粒子圖像。該圖像可用圖像處理技術(shù)將

其分成若干個(gè)很小的區(qū)域，使用自相關(guān)或互相關(guān)統(tǒng)計(jì)技術(shù)可求取各區(qū)域內(nèi)各示蹤

粒子位移的大小和方向，結(jié)合設(shè)定的脈沖間隔時(shí)間，即可求出粒子的速度矢量。

原理圖如圖4所示，即若已知雙脈沖間隔時(shí)間位=￡2-％示蹤粒子速度可表示為:

vx—dx[.t)/dt?----------------=vx

y(t+4t)-y(t)_

Vy=dy(￡)/d￡x--------------------=Vy

粒子在序列圖像2

G時(shí)刻圖像

_2弟

圖1PIV原理圖

如果"很小，可用該速度近似粒子在G時(shí)刻位置的瞬時(shí)速度。

因此，PIV測(cè)量是以平均速度代替瞬時(shí)速度，示蹤粒子速度代替所在位置的流場(chǎng)

速度。對(duì)區(qū)域中所有粒子的速度矢量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均可以得到該區(qū)域的速度矢量，對(duì)所

有區(qū)域進(jìn)行上述統(tǒng)計(jì)計(jì)算后可得出整個(gè)待測(cè)區(qū)域的速度矢量場(chǎng)。

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)裝置

1風(fēng)洞設(shè)備

同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院低速風(fēng)洞為回流式開口風(fēng)洞，見圖2o該模型風(fēng)洞同樣具有3/4

開口式試驗(yàn)段,噴口面積為0.1230?,駐室長(zhǎng)、寬、高分別為1.57m、1.185m、0.818m,

最高風(fēng)速可達(dá)40m/s,試驗(yàn)段軸向的靜壓梯度小于0.005m'1,來流湍流度約為（）.5%,

最大風(fēng)速40m/so

圖2.同濟(jì)汽車學(xué)院模型風(fēng)洞結(jié)構(gòu)圖

2實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

實(shí)驗(yàn)采用1/12的英國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)制定的MIRA標(biāo)準(zhǔn)模型，模型尺寸為347mm

（長(zhǎng)）Xi35mm（寬）xH8mm（高），離地間隙約為3mm,模型通過螺栓固定于風(fēng)洞

地板。其1:1標(biāo)準(zhǔn)模型尺寸如圖3所示，試驗(yàn)來流風(fēng)速為30m/s,模型阻塞比12%,

雷諾數(shù)Re=7.13xl()5。

圖3MIRA快背式模型

3.實(shí)驗(yàn)裝置和觀測(cè)系統(tǒng)

PIV系統(tǒng)主要由激光發(fā)生與發(fā)射、粒子發(fā)生、成像和圖像處理等部分組成，如圖

4所示。激光發(fā)生發(fā)射部分主要包括連續(xù)或脈沖激光發(fā)生器、光傳輸系統(tǒng)和片光源光

學(xué)系統(tǒng)，成像系統(tǒng)包括圖像捕捉裝置和同步器等，粒子主要采用有較強(qiáng)的光散射特性

和較高的信噪比的粒子(如：食用油霧化粒子)，圖像處理部分包括幀采集卡和分析

顯示軟件，幀采集卡將粒子圖像數(shù)字化，并將連續(xù)圖像存貯在計(jì)算機(jī)中，分析顯示軟

件分析圖像，實(shí)時(shí)顯示采樣的圖像數(shù)據(jù)，顯示速度矢量場(chǎng)。

圖4P1V系統(tǒng)組成

同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院風(fēng)洞中心具體PIV測(cè)量?jī)x器如下：

(1)激光器

Vlitc-500激光器：YAG脈沖激光波長(zhǎng)532nm,激光強(qiáng)度500nWpulsex2。為滿足

拍攝要求，脈沖激光光片厚度應(yīng)為亳米級(jí)，光片亮度能使CCD相機(jī)快速采集，每個(gè)

激光脈沖應(yīng)高于2()()mJ；為滿足流場(chǎng)速度要求，脈沖寬度應(yīng)在納秒級(jí)，雙脈沖間隔應(yīng)

在微秒級(jí)，PIV測(cè)量精度取決于光脈沖持續(xù)時(shí)間以及兩脈沖的時(shí)間間隔的準(zhǔn)確性。

圖5激光脈沖同步器照片

(2)CCD相機(jī)

NikonPowerviewPlus29M-HSfflM，分辨率2900萬(雙幀，6600x4400像素)。為

滿足PIV試驗(yàn)短時(shí)間內(nèi)連續(xù)拍攝，CCD相機(jī)應(yīng)有足夠小的雙幀間隔；同時(shí)為滿足示蹤

粒子放大率要求，對(duì)確定的示蹤粒子其直徑通常應(yīng)不小于兩個(gè)像素尺寸，CCD像素應(yīng)

高于1024x1024o

圖6CCD相機(jī)照片

(3)同步器

同步落為TSI公司610036型激光脈沖同步器。同步器負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)激光閃光、相機(jī)

畫幅抓拍、外觸發(fā)等工作的同步進(jìn)行。

圖7激光脈沖同步器照片

（4）電腦及控制分析程序

控制分析程序?yàn)門SI公司INSIGHT4GTM全場(chǎng)成像、采集、分析和顯示軟件。分

析程序應(yīng)完成以下功能：1.確認(rèn)原始數(shù)據(jù)；2.替換錯(cuò)誤數(shù)據(jù)；3.數(shù)據(jù)處理。

INSIGHT4G

OctalImaging.Anatyss.

andOtspUySoftware

圖8INSIGHT后處理軟件

四、實(shí)驗(yàn)觀測(cè)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為定性觀測(cè)。

主要是觀察車輛尾跡基本結(jié)構(gòu)，流動(dòng)分離的現(xiàn)象、分析流動(dòng)分離發(fā)生位置。

五、實(shí)驗(yàn)記錄

1.實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如風(fēng)速、激光發(fā)射頻率；

2.利用CCD照相機(jī)記錄標(biāo)定板數(shù)據(jù)圖像；

3.利用CCD照相機(jī)記錄有車輛模型時(shí)流場(chǎng)粒子圖像。

六、實(shí)驗(yàn)步驟與實(shí)施

1.連接同步器與相機(jī)、激光發(fā)射器和電腦；

2.調(diào)整導(dǎo)光臂位于待測(cè)平面，如對(duì)稱中截面；

3.將標(biāo)定板置于試驗(yàn)區(qū)域中，使標(biāo)定板平面與待測(cè)平面重合，調(diào)節(jié)激光器，使其發(fā)

射的片光源透過標(biāo)定板底部狹縫將標(biāo)定板平面照亮；

4.調(diào)節(jié)CCD相機(jī)焦距，使其所得畫面中標(biāo)定板上各標(biāo)定點(diǎn)清晰可見，通過控制程

序進(jìn)行標(biāo)定，獲得像素點(diǎn)與實(shí)際尺寸間換算關(guān)系；

5.完成標(biāo)定后，將風(fēng)洞蓋板合上，關(guān)燈并用遮光布遮蔽試驗(yàn)段，避免其他光線對(duì)試

驗(yàn)的影響；

6.確定各項(xiàng)準(zhǔn)備工作無誤后，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)；

7.向模型風(fēng)洞駐室內(nèi)通入適量示蹤粒子，待粒子彌散在整個(gè)風(fēng)洞時(shí)打開PIV激光器

照射所測(cè)流場(chǎng)區(qū)域，同步器根據(jù)激光信號(hào)出發(fā)拍照和電腦數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

8.確定圖像處理區(qū)域，采用INSIGHT4G,采用流場(chǎng)后處理軟件Tecplot,對(duì)圖像