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PIV技术在涡轮叶栅内流场试验中的应用
戴静君;姜义忠;董守平
【期刊名称】《实验流体力学》
【年(卷),期】2003(017)004
【摘要】对三种高环流系数叶片叶型和五种相对节距的涡轮叶栅进行内流场试验研究,在研究中采用粒子成像测试技术(PIV),获得叶栅内S1m流面的全流场流动信息,并采用拓扑图论原理经计算机进行图像处理,获得S1m流面的速度矢量场和旋度场.对所获得的叶栅内流场分析表明,随着涡轮环流系数的增加,液体流经叶栅的能量损失增大;随着叶栅相对节距的增大,叶栅内脱流区增大、漩涡区的旋度值随之增大.该研究结果将给涡轮叶型的设计提供有价值的参考.
【总页数】4页(P68-70,83)
【作者】戴静君;姜义忠;董守平
【作者单位】北京石油化工学院,北京,102617;石油大学,华东,257061;石油大学,北京,102200
【正文语种】中文
【中图分类】O353.3
【相关文献】
1.应用PIV技术测量幂律流体在环空管道内的流场 [J], 历玉英;刘扬;陈建业;周立杰
2.超跨声涡轮扇形叶栅试验流场周期性设计 [J], 唐国庆;黄康才;薛伟鹏
3.叶片正弯曲对涡轮静叶栅流场影响的试验研究 [J], 谭春青;陈海生;康顺;蒋洪德;蔡睿贤;梁锡智
4.平面涡轮叶栅内旋涡结构的试验研究 [J], 张华良;谭春青;陈海生;山本孝正
5.叶片反弯曲对涡轮静叶栅流场影响的试验研究 [J], 陈海生;谭春青;康顺;梁锡智因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
PIV技术的原理与应用1. 什么是PIV技术？PIV（Particle Image Velocimetry）技术是一种用于测量流体中速度变化的光学测量技术。
它基于成像和粒子追踪的原理，通过记录流体中的颗粒运动轨迹，从而推断速度信息。
PIV技术可以应用于多个领域，包括流体力学研究、流体工程、航空航天等。
2. PIV技术的原理PIV技术的原理基于两个主要步骤：成像和粒子追踪。
2.1 成像在PIV实验中，成像是通过激光束照射流体中的颗粒，形成一个平面投影，并利用高速摄像机记录下颗粒的图像。
成像过程中需要注意以下几点：•使用适当的激光光源，以确保产生足够能量的光线来照亮流体中的颗粒，同时避免对流体的影响。
•选择适当的摄像机来记录图像。
高速摄像机通常具有较高的帧率和分辨率，可以捕捉到颗粒的快速运动。
2.2 粒子追踪粒子追踪是PIV技术中的核心步骤，它通过分析颗粒在连续图像帧中的位移来推断流体的速度。
粒子追踪主要包括以下两个步骤：•特征提取：在每一帧图像中，使用适当的特征提取算法找到颗粒的位置。
常用的特征提取算法包括亮度加权相关方法和互相关方法。
•位移估计：通过对颗粒在不同帧之间的位移进行比较，可以估计出流体的速度。
位移估计通常使用相关与平均方法或剪切相关方法。
3. PIV技术的应用PIV技术以其快速、非侵入性和高精度的特点，得到了广泛的应用。
以下是PIV技术在不同领域中的应用示例：3.1 流体力学研究PIV技术在流体力学研究中起着至关重要的作用。
通过使用PIV技术，研究人员可以获得流体中不同位置的速度分布和涡旋结构等信息。
这有助于深入了解流体运动的本质，优化流体系统的设计。
3.2 流体工程PIV技术在流体工程中的应用非常广泛。
例如，在风洞实验中，通过使用PIV 技术，可以获得飞机在风中的速度分布和风阻等参数。
这对于飞机设计和气动性能评估非常重要。
3.3 航空航天PIV技术在航空航天领域中也有广泛的应用。
例如，在火箭推进系统中，PIV 技术可以帮助研究人员分析燃烧室内的流动特性，优化燃烧效率。
PIV技术在流场测量中的应用PIV技术是一种光学的非接触测量技术，它的最大贡献是突破了LDA（Laser Doppler Anemometer）激光多普勒测速仪等空间单点测量技术的局限性，既具备了单点测量技术的精度和分辨率，又能获得平面流场显示的整体结构和瞬态图像，可在同一时刻记录下整个流场的有关信息，并且可分别给出平均速度、脉动速度及应变率等信息。
同时，它的结果可以与计算流体力学（CFD）模拟结果进行对比，以促进CFD技术的发展。
随着计算机技术与图像处理技术的快速发展，PIV技术越来越得到广泛的应用。
为了满足用户对低速流动测量和教学演示的要求，丹迪公司推出了全新的MiniPIV系统。
激光器MiniPIV系统采用RayPower激光器作为MiniPIV的光源。
RayPower激光器结构紧凑，自带空气冷却而无需外部冷却系统。
RayPower激光器具有良好的光斑质量（接近TEM00），有三种能量可以选择：450mW、2W和5W。
软件DynamicStudio是一个革命性的，灵活的并且易于掌握的图像系统软件平台。
可用于诸如粒子图像测速系统(PIV)，激光诱导荧光系统(LIF)，燃烧诊断，粒径测量，及雾化特性分析等领域。
DynamicStudio软件平台存在于整个实验过程: 从整套系统的建立，数据采集直至最终的数据处理、分析及图形显示。
其整套架构都为更高传输速度及更大图像分辨率的相机而设计。
由于采用了即插即用及动态向导技术，整套系统硬件的管理及控制变得非常轻松。
一些最新的图像处理技术，如分布式数据计算、本征正交分解、图像拼接、LSM算法等也整合在软件平台内，使得用户可以方便快捷的对整个测量过程有更深层次的认识。
圆柱绕流的拉格朗日特征追踪研究旋转流场实验结果(速度梯度场)对比：。
基于水槽PIV技术探究不同转速涡轮的速度场摘要：近年来，中国对涡轮进行了大量的研究。
本实验通过PIV技术和高速CCD相机，对涡轮在不同转速（即不同电压）下顺时针、逆时针旋转的流场进行记录，并分别将旋转方向相同、转速不同时以及转速相同、旋转方向不同时的速度场进行了分析与对比。
结果表明，涡轮顺时针转动与逆时针转动的流场大致呈中心对称；涡轮转动产生的流场中水速最大的区域附近发生众多流线的汇聚，造成几乎仅有一条很粗的流线，其斜率随涡轮转速的增大而减小；对于风涡轮，在制作其叶片的时候，应加强风涡轮叶尖处的叶片强度，并尽量减小叶片的迎风面积（尤其是叶尖）。
关键词：流体力学；速度场；PIV；涡轮；转速1 引言涡轮是一种将流动工质的能量转换为机械功的旋转式动力机械，它是航空发动机、燃气轮机和蒸汽轮机的主要部件之一。
它的历史并不遥远，中国一直也在努力研究。
如彭茂林等[1]将涡轮叶片低周疲劳可靠性显著提高，稳健性得到极大提升；鲁中良等[2]显著缩短了预研涡轮叶片的制造周期，大大降低了生产成本。
要想使中国对于涡轮的研究更上一层楼，必须大力加强对涡轮设计的研究。
前人的众多研究成果告诉我们在研究涡轮之时，其涡发生、发展、湮灭的规律极其重要，于是，本实验利用航模上的水下推力器作为涡轮进行模拟实验，对不同转速下的涡轮速度场进行研究，其目的是为了了解涡轮的尾迹流场，探寻涡轮的工作机理，以便涡轮叶片设计时的改进。
2 实验仪器2.1 PIV技术即粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry），是一种非接触式的动态流场显示技术，其原理为：由脉冲激光光源发出的激光通过球面镜和柱面镜形成的片光源镜头组，照亮流场中一个很薄的面；在于激光面垂直方向的PIV专用跨帧CCD相机摄下流场层片中的流动粒子的图像，然后把图像数字化送入计算机，利用自相关或互相关原理处理，可以得到流场中的速度场、涡量场等分布。
2.2 涡轮模型本实验采用航模上的水下推力器代替涡轮进行模拟实验。
PIV方法测量NACA23012翼型尾迹涡结构的演化过程摘要：实验研究了翼尖附近及其延伸区域内尾迹涡的形成和演化过程。
实验中用以产生涡流的机翼的横截面是NACA23012型。
实验在低速风洞中进行，采用PIV技术测量风洞内的速度，测量并模拟翼尖尾迹涡。
通过尾迹涡中心线和连续下游面的交线的内侧和外侧中心半径、最大正切速度、涡量和环量的分布来评估尾迹涡的尾迹结构。
在下游位置检查叶片攻角对尾迹涡的影响。
下游方向上，内侧核心半径和环量分布几乎是不变的。
环量以及正切速度分布和叶片攻角之间有着明显的线性关系。
叶尖尾迹涡中心圆半径近似等于翼型弦长的1%。
涡流的扩散幅度和涡流强度没有表现出线性关系，但沿着下游方向是逐渐增大的。
1 简介飞机机翼将一部分的冲击流动动力偏离成法向分力，这种动量偏离总是会产生尾迹涡，并且持续很长时间。
在飞机紧急着陆阶段，这可以威胁到紧随其后的任何一架飞机。
后面的飞机突然遇到这样的涡流会引起严重的扰动，扰动的剧烈程度取决于两架飞机的相对重量。
据此，制定了最小间隔距离标准，并且由于现今空中交通工具的体积越来越大，这个标准将提高。
在过去的几十年里，科学工作者坚持不懈的系统的研究了尾迹涡。
Spalart 和Gerzet等人发表了一份完整的概论，对这个物理现象有个更深的理解。
这个课题实际上主要是来源于飞机庞大的体积和许多机场日渐升级的拥挤情况。
通过降低最小间距来改善机场交通状况，大型飞机要求控制涡流以提高涡流衰减程度，因此较小一些的飞机能在更小的间距下保证安全。
尾迹涡的演化可以分为三个阶段，卷扬(<20spans)、涡流(<200spans)和衰退(<500spans)。
漩涡的附近区域是重要的，因为是机翼控制涡流衰减的。
绕翼涡流的自然衰减依赖于一个相当长的距离。
近壁区域的尾迹涡在另一处进行了研究。
de Bruin等进行了一般民用飞机的风洞模型实验，飞机模型装配了延伸的襟翼，并且模型下游方向有五倍机翼跨度。
PIV原理及其应用PIV是Particle Image Velocimetry的缩写，意为“粒子图像测速”，是一种用于测量流场速度和流体运动行为的非接触式光学测量技术。
它通过将流场中的小颗粒（通常是悬浮在液体中的粒子）作为示踪物来进行测量，利用高速摄像机等设备捕捉颗粒图像，并通过图像处理和分析获取流场的速度和速度矢量分布信息。
PIV的基本原理是利用颗粒在流场中随流动变化的速度来获取流场速度信息。
具体操作过程包括以下几个步骤：1.示踪颗粒标记：在流体中添加适量的颗粒（通常是微米级的粒子），这些颗粒应具有足够的密度和散射光的特性，以便使它们能够被摄像机捕捉到。
2.图像获取：使用高速摄像机等设备对流场中的颗粒进行连续的图像捕获。
由于颗粒会在流场中运动，因此在时间序列上连续获取的图像可以反映出颗粒的运动轨迹。
3.图像处理：对连续捕获的图像进行处理，以识别和跟踪颗粒的位置。
通常使用相关算法、互相关算法或相关算法和追踪算法的组合来实现。
4.速度计算：根据颗粒在相邻图像之间的位移，计算每个颗粒的瞬时速度。
可以根据这些速度数据获取流场的速度分布和速度矢量图像。
PIV技术具有许多应用领域，以下列举其中几个典型的应用：1.流体力学研究：PIV技术可以用于测量液体和气体的粘性、湍流、湍流结构、边界层行为等流体力学性质。
通过获取流体流动的速度分布和速度矢量图像，可以对流体的流动行为进行详细的分析和研究。
2.空气动力学研究：PIV技术可以用于测量飞机、汽车、船舶等物体周围的气流速度和流场结构。
这对于设计和优化运输工具的气动外形、减少阻力和气动噪声等方面具有重要意义。
3.涡流研究：PIV技术可以用于测量涡流的速度、旋转方向和强度等特性。
涡流是流体中旋转速度明显高于周围流体的局部区域，它在空气动力学、流体力学和气象学等领域中都有重要的研究价值。
4.生物流体力学研究：PIV技术可以用于测量生物流体中的速度分布，如心脏血流、肺部气流、细胞运动等。
第38卷 第2期 激光与红外V o.l38,N o.2 2008年2月 LA SER & INFRARED February,2008文章编号:1001 5078(2008)02 0105 04 综述与评论 PI V技术在涡轮静叶测量中的应用李 军(上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室,上海200030)摘 要:详细介绍了PI V的工作原理、数据处理流程和使用要点。
针对涡轮内部复杂的流动特性,应用具有较高空间分辨率的非接触式瞬态速度的PI V测量技术,获得了较清晰完整的沿叶高平面和叶栅出口速度场的瞬时速度场信息,并据此分析了涡轮静叶出口二次流的流动特性,为叶栅流场优化提供了有益的参考。
关键词:激光粒子图像测速仪;涡轮;二次流;尾迹;非定常中图分类号:TK402 文献标识码:AApplicati on of PI V M eas ure m ent Technology on Turbo m achi neryLI Jun(Schoo l ofM echan i ca l and Pow er Eng i neering,Shangha i Ji ao t ong U n i ve rs i ty,Shangha i200030,Ch i na)Ab stract:PIV is a new m easure i nstru m en t,wh ich has better m er it than o thers espec i a lly fo r co m plex fl ow field.Theworking rule,d i sposa l flo w cha rt and operati on ou tli ne of P I V are i ntroduced i n deta i.l F ina lly,an ex a m ple is used tom easure the i nstantaneous en tire v elocity fie l d a long b lade he i ght and outl et plane w ith P I V.A s a result,it i s satisfiedand bene fi c i a l to opti m i ze the b l ade fl ow fie l d.K ey w ords:P I V;turb i ne;secondary flo w;w ake;unsteady1 前 言为了定量地研究涡轮机械内部的复杂流动机理,国内外发展了纹影阴影法、旋转探针、热线风速仪、激光多普勒测速仪,高频动态压力探针等一系列测试技术。
但是这些传统的流速测量仪器只能进行单点测量,且大多是接触式测量,无法对整个区域内的二维流场进行无扰动测量,而且得到的是平均意义下的流动速度分布;当流场内部的流速变化较大并有涡存在时,传统的仪器很难实现流速的准确测量。
同时,对瞬态流场的观测和显示,不但要求测量系统有灵敏的反应速度,还需有较高的空间分辨率和连续观察、测量瞬时流速场的能力。
激光粒子图像测速仪(PI V)是20世纪80年代末发展起来的一种非接触式瞬态速度测量技术,将定性的流动显示和定量的速度场测量集于一身,并应用光学图像技术、图像处理技术、计算机技术等先进的测试技术,获得一个平面内的瞬时速度场,具有空间分辨率高(一般可达0.15mm)、信息量大、测量速度快、不干扰被测流场和可连续测量等非常实用的优点。
总体而言,在当今测试技术从稳态测试转入动态测试,逐点测量变为全场测量的趋势下,PI V作为一种定量流动显示技术使实验研究水平大为提高,已在风洞试验和工业部门得到广泛应用。
降低涡轮装置能耗对国民经济的发展具有重要意义,而提高涡轮装置性能的关键是深入认识其内作者简介:李 军(1979-),男,上海交通大学在读博士研究生,研究方向为动力系统的建模仿真。
E m ai:l lljjjj@j126.co m收稿日期:2007 08 15部流动的本质、流动结构等。
涡轮内部流动的时间和空间结构极其复杂,一般情况下为非定常三维湍流流动。
典型的流动现象有分离流、二次流、边界层的相互作用以及叶片尾迹区的复杂流动等。
本文针对涡轮内部复杂的流动特性,应用具有较高空间分辨率和可以测量瞬时流速场的PI V技术,获得了具有较高空间分辨率和较清晰完整的瞬态流场图。
2 PI V工作原理标准的PI V测试系统包括光源系统、图像采集系统和图像处理系统[1],图1所示为PI V系统的光学框架图。
激光器产生高强度的脉冲激光,通过光臂的引导,经过柱面镜和球面镜形成片光照亮流场中的示踪粒子,并将1台CCD摄像机置于和片光源照亮区域垂直的位置,用成像的方法记录2次曝光后示踪粒子的位置,采用图像分析技术得到流场中各点粒子的位移,以粒子速度代表所在流场内相应位置处流体的运动速度,由此位移和曝光的时间间隔得到流场中各点的流速矢量图。
图1 PI V光学系统框架图2.1 光源类型激光常用光源如表1所示。
表1 激光常用光源光源脉冲持续期/ s脉冲间隔/ s能量/脉冲/m J重复率/H zA r-i on505000.1~1.02000YAG0.010.250~40010Rugby0.025*******.01C u V apor0.01505200002.2 片光系统及校准片光系统的作用是照亮测量区,使测量区内的示踪粒子产生散射光,并保证散射光强足以使PI V 图像拍摄系统记录下示踪粒子的位置。
在PI V测量流场时,要求两个脉冲光形成的片光源在测量区域内完全重合且亮度分布一样。
而实际上,激光器发出的激光经过光学元件之后形成的是两头尖、中间厚的梭形片光源,况且两个激光器的工作特性不可能完全一样。
这样,如果两个片光源在测量区域的亮度分布相差较大的话,就会使两幅粒子图谱缺乏可比性。
因而,在PI V流动测量实验中,必须对片光源的位置和亮度进行校准。
校准主要有以下几个步骤: 打开两个脉冲激光器,在没有球面镜和柱面镜的条件下调整光斑的位置和形状,使两个脉冲光源的光斑形状为圆形并且重合。
在光斑质量(圆度和亮度分布)满意的情况下,装上球面镜及柱面镜的组件,使激光器产生具有一定极小厚度的片光源。
其中柱透镜控制光在一个方向内发散,球透镜控制片光厚度,得到光腰处的厚度可为几微米至几毫米。
在确定测量截面之后,放上靶板,使靶板的一面与需要测量的截面重合,再通过调节光学元件使两个激光器产生的片光源都充分照亮靶板的测量面。
调整两个激光器的功率,使两束片光源的亮度分布相近。
由于两个激光器的工作特性不一样,因而在测量时可以先拍摄一幅粒子图像,通过微调两个激光器的功率按钮使两幅粒子图谱的亮度分布相近,当然这样会给实验带来一定的误差。
2.3 图像拍摄系统及双曝光时间间隔的确定图像拍摄系统的作用是感应示踪粒子产生的散射光。
测量时片光源系统与图像拍摄系统必须能够同步工作,才可以实时 冻结 示踪粒子的当前位置,为相应时间间隔提供示踪粒子的位移信息。
拍摄方式分为两类,一类是自相关模式,另一类是互相关模式。
在自相关模式中,前后两帧示踪粒子图像信息都存储在同一个CCD相机内的帧存储器中,由于一个粒子两次曝光而产生的两个像点的时间顺序无法确定,使得粒子图像位移方向的判别存在二义性。
而在互相关模式中,前后两个时刻拍摄得到的不同示踪粒子图像信息被存储到CCD相机中的不同帧存储器中,可以明确知道两帧示踪粒子图像的时间顺序,根本解决了粒子位移方向问题。
两帧粒子图像之间双曝光时间间隔 t由流场特性来决定的,主要从粒子穿透片光源厚度和穿越查询区两个时限来考虑。
根据事先测得的进口速度估计一个流场中的速度最大值,使得 t1 /V m ax,其中 为片光源的厚度,V max为测量平面内最大速度分量大小,这样就能够保证测量面中不会有大量示踪粒子流进流出。
同时,为了提高信噪比,针对50%重叠率的查106激光与红外 第38卷询区,一般建议粒子在双曝光时间间隔内最大横向和纵向位移不能超过查询区宽度的1/2,从而可以导出 t 2 0.15N i n t S /V max ,其中N in t 为查询区宽度所占的CCD 像素个数,S 为测量区域尺寸与CCD 相机像素之间对应比值。
这样双曝光时间间隔可以确定 t =m i n ( t 1, t 2)。
2.4 数据处理软件系统通过PI V 图像采集系统可以得到具有256个灰度级的粒子图像,通过傅里叶正、逆变换及窗口函数、过滤函数等步骤,然后对查询区内粒子图像采用统计平均分析方法提取速度信息,获得整个流场的速度值。
图2示出了PI V 数据处理流程图。
图2 PI V 数据处理流程图2.5 示踪粒子的选择与添加激光测量技术均离不开示踪粒子。
良好的光散射性和跟随性是选取示踪粒子最基本的要求,但这两个要求互相制约:散射性随尺寸的增加而增加,而尺寸愈大的示踪粒子对流动的跟随性愈差。
另一关键环节是示踪粒子的浓度,它不但与激光强度的衰减、流体的流动、粒子凝聚速度、信噪比等有关,还与查询区的大小、光学系统的放大率以及片光的厚度等有关,在实验中必须权衡这些因素。
有鉴于此,本文实验中采用舞台烟雾发生器添加示踪粒子,舞台烟雾的基本成分是一种烟油,能产生足量粒子。
为了避免油烟聚集呈团雾状,导致图像处理无法分辨单个粒子图像,从烟雾发生器出来后的油烟不是直接流入流道,而是经过一个集烟器流入流场。
这样既解决了团雾的问题,同时还避免了舞台烟雾喷射出来时所带的速度影响进气均匀性。
根据简化估算,该示踪粒子在一般亚音速流动中的跟随性不低于99%。
舞台烟雾示踪粒子发生器如图3所示。
图3 舞台烟雾示踪粒子发生器3 PI V 测量实例本实验所使用的PI V 系统是丹麦Dantec 公司产品,由片光源系统、图像拍摄系统、信号处理器和Flo w M ap 软件等四部分组成。
其中,片光源系统是以双谐振脉冲式N d YAG 激光器为光源,激光器的最大工作频率为10H z ,每个脉冲能量高达200m J 。
脉冲光采用Q s w itch 触发方式来获得,脉宽 5.0~10.0ns ,输出的激光束波长为532 m 的绿色脉冲光,这种脉冲光足以照亮空气中的亚微米级粒子。
两台独立激光器的使用,可以很方便地选择两个激光脉冲之间的时间间隔,而且时间间隔可以达到微秒级,大大扩展了速度测量的范围。
激光器发出的激光束经过光学部件后,可转变成约为1mm 的片光源。
CCD 采用Kodak M ega plus ES1。
0互/自相关数字相机,分辨率为1018 1008像素,以256级灰度方式识别示踪粒子的信息。
在相机镜头前还加上一个标准的60mm 镜头(N i k onM icro N ikkor 60/2.8),在实际测量中,调节镜头就可以保证CCD 相机的焦平面和被测平面一致。
