粒子图像测速仪

湍流的现代实验研究方法作者：徐斌来源：《沿海企业与科技》2009年第09期[摘要]湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动，其复杂性使得其研究工作进展缓慢。

随着现代电子计算机技术和实验测量方法的进展，湍流的实验研究方法取得了重大进展。

文章简要介绍在热能工程领域使用热线热膜风速仪、激光多普勒风速仪、相位多普勒风速仪和粒子图像测速仪等测量技术对湍流进行测量和研究的应用。

[关键词]湍流；实验研究；热能工程[作者简介]徐斌，广东省电力设计研究院，广东广州，510663[中图分类号]TP27[文献标识码]A[文章编号]1007-7723(2009)09-0013-0003一、前言湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动，其各种物理参数都随时间与空间随机变化。

从物理结构上说，可把湍流看成是由各种不同尺度的涡旋叠合而成的流动，这些旋涡的大小及旋转轴的方向分布是随机的。

流体内部共尺度涡旋的随机运动构成了湍流的一个重要特点：物理量的脉动。

对湍流的研究已超过一百年了，人们发展出了如统计理论、边界层计算理论等多种湍流基础理论。

但因为湍流物理量的脉动特性，过去通过实验只能测得其时均值，无法测得其脉动值，所以人们至今未能掌握湍流的基本机理。

随着现代电子计算机技术和实验测量方法的进展，湍流的实验研究得到了重大进展。

特别是热线热膜风速仪、激光多普勒风速仪、相位多普勒风速仪和粒子图像测速仪等测量技术的应用，使得测量湍流流动中各物理量的脉动值成为可能。

这些先进的湍流实验研究方法，不仅被用于湍流基础理论研究，也被大量应用在工程领域的湍流流动测量，能更好地解决工程实际问题。

本文简要介绍热线热膜风速仪、激光多普勒风速仪、相位多普勒风速仪和粒子图像测速仪四种湍流实验仪器的原理及其在热能工程领域对于湍流测量和研究的应用。

二、热线热膜风速仪(HWFA)热线或热膜风速仪的敏感元件是一根细金属丝探针或敷于玻璃材料支架上的一层金属薄膜元件。

基于粒子图像测速技术(PIV)的砂箱物理模拟实验研究【摘要】本研究基于粒子图像测速技术(PIV)，通过砂箱物理模拟实验探究颗粒在不同特定流场下的运动规律。

在实验设计中，我们搭建了流动场装置，并通过PIV技术实时捕捉颗粒运动图像。

测速原理部分介绍了PIV技术的工作原理及应用。

在数据处理方法中描述了如何处理和分析实验数据，结果分析部分详细探讨了实验结果及颗粒运动规律。

实验验证部分通过与理论模型对比进行验证。

最后结论部分总结了实验结果，展望了PIV技术在地质工程领域的应用前景。

本研究将深入探讨颗粒在复杂流场下的运动规律，为解决地质工程中的颗粒运动问题提供理论支持。

【关键词】粒子图像测速技术(PIV)、砂箱物理模拟、实验设计、测速原理、数据处理方法、结果分析、实验验证、实验结果总结、技术应用展望、研究背景、研究意义1. 引言1.1 研究背景随着科学技术的不断进步，粒子图像测速技术(PIV)在流体力学研究中得到了广泛应用。

砂箱物理模拟实验是一种常用的流体力学实验方法，通过在实验室环境中模拟真实的地质流体运动情况，可以帮助研究人员理解地下水流、地表水流、河道水流等现象的规律。

传统的砂箱物理模拟实验存在着一些局限性，比如实验数据获取困难、测速精度低等问题。

而基于粒子图像测速技术的砂箱物理模拟实验则能够更准确地获取流体速度场信息，提高实验数据的准确性和可靠性。

本研究旨在结合粒子图像测速技术和砂箱物理模拟实验，探讨如何应用PIV技术提高砂箱实验的测速精度，以及进一步揭示地下水流或地表水流等流体运动规律。

这将为地质工程领域提供更为准确的实验数据和分析方法，具有重要的理论和实践意义。

1.2 研究意义基于粒子图像测速技术(PIV)的砂箱物理模拟实验研究具有重要的理论和应用价值。

通过这种技术可以精确地测量流体中颗粒的速度和运动轨迹，从而揭示颗粒在流场中的动力学行为和相互作用规律，为颗粒物理学和流体力学等领域的研究提供重要的实验数据。

热灾害实验技术粒子图像测速技术实验目的：测量流场的速度分布实验装置：摄像头，片光源，计算机实验原理与方法：互相关算法：根据DPIV 互相关算法理论，过一采样窗口，同一特定位置，可顺序获取两幅数字图像。

粒子的位移可从一幅图像到另一幅相对应的图像经互相关计算获得。

两幅顺序获取图像中相同位置的两个查问窗口函数 f(m ，n)和g(m ，n)，从信号系统的观点出发，g(m ，n)可以看作是f(m ，n)经线性转换后叠加以噪声而成，如图所示。

1、预先在流场中撒入一定浓度和大小的示踪粒子，用脉冲激光片光源照明二维流场，在垂直片光的方向上摄像，获得两次或者多次曝光的粒子图像。

2、对采取的图像使用Photoshop进行处理使之变成长宽为256x256的灰度图像，使用matlab和互相关算法编程，对图像进行处理，得到二维流场中速度矢量分布图。

实验结果：隔两帧得到的灰度图：得到速度矢量图如图所示：得到速度矢量图如图所示：源程序：function [XNum,YNum,AutoFlag]=g(a1,a2,OutFile) fid1=fopen('a1.jpg','r');fid2=fopen('a2.jpg','r');fid3=fopen('OutFile.jpg','w');XL=256;YL=256;frewind(fid1);Image1=fread(fid1,[XL,YL]);frewind(fid2);Image2=fread(fid2,[XL,YL]);WinSizeX=64;WinSizeY=64;DeltaX=16;DeltaY=16;XNum = (XL-WinSizeX)/DeltaX;YNum = (YL-WinSizeY)/DeltaY;a=3.4968e+006 +4.7425e-010i;frewind(fid3);for j1=1:YNum+1;for i1=1:XNum+1;CorrWin1=Image1((i1-1)*DeltaX+1:(i1-1)*DeltaX+WinSizeX,(j1-1)*Del taY+1:(j1-1)*DeltaY+WinSizeY);CorrWin2=Image2((i1-1)*DeltaX+1:(i1-1)*DeltaX+WinSizeX,(j1-1)*Del taY+1:(j1-1)*DeltaY+WinSizeY);F1=fft2(CorrWin1);F2=fft2(CorrWin2);S=F2.*conj(F1);Pks=ifft2(S);Pks=fftshift(Pks);Pks=Pks/a;if (i1==2)SURF(abs(Pks));pauseend[temp1,maxx]=max(Pks);[temp2,maxy]=max(temp1);if temp2==0.0 || abs(maxx(maxy)-WinSizeX/2-1)> WinSizeX/3.0 || abs(maxy-WinSizeY/2-1)>WinSizeY/3.0VX(i1,j1)=0;VY(i1,j1)=0;Corr(i1,j1)=0;elseTX=maxx(maxy);TY=maxy;Corr(i1,j1)=temp2;%---------用高斯拟合峰值的精确位置-----------y0=Pks(TX-1,TY); %横向y1=Pks(TX,TY);y2=Pks(TX+1,TY);CX1=(y0-y2)/(2.0*(y0+y2-2.0*y1));y0=Pks(TX,TY-1); %纵向y1=Pks(TX,TY);y2=Pks(TX,TY+1);CY1=(y0-y2)/(2.0*(y0+y2-2.0*y1));y0=Pks(TX-1,TY-1); %第一对角线y1=Pks(TX,TY);y2=Pks(TX+1,TY+1);CX2=(y0-y2)/(2.828*(y0+y2-2.0*y1));CY2=(y0-y2)/(2.828*(y0+y2-2.0*y1));y0=Pks(TX+1,TY-1); %第二对角线y1=Pks(TX,TY);y2=Pks(TX-1,TY+1);CX3=-(y0-y2)/(2.828*(y0+y2-2.0*y1));CY3=(y0-y2)/(2.828*(y0+y2-2.0*y1));%--------------------------------------------------VX(i1,j1)=TX+CX1+CX2+CX3-WinSizeX/2-1;VY(i1,j1)=TY+CY1+CY2+CY3-WinSizeY/2-1;endX(i1,j1)=WinSizeX/2+(i1-1)*DeltaX;Y(i1,j1)=WinSizeY/2+(j1-1)*DeltaY;%if(abs(Corr(i1,j1))>abs(a))% a=Corr(i1,j1);%end;fprintf(fid3,'%8.2f,%8.2f,%12.6f,%12.6f,%8.2f\n',X(i1,j1),Y(i1,j1 ),VX(i1,j1),VY(i1,j1),Corr(i1,j1));end%j1end%aquiver(X,Y,VX,VY);fclose(fid1);fclose(fid2);fclose(fid3);cx=5;cy=5;sigma=0;for j1=1:YNum+1,for i1=1:XNum+1,sx=cx*abs(VX(i1,j1)-cx)/(cx*cx+cy*cy);sy=cy*abs(VY(i1,j1)-cy)/(cx*cx+cy*cy);sigma=sigma+sqrt(sx*sx+sy*sy);endendsigma=sigma*100/((XNum+1)*(YNum+1)); %百分比[s,errmsg]=sprintf('sigma=%f\n',sigma);s。

粒子追踪测速(PTV)技术及其在多相流测试中的应用 粒子追踪测速即PTV方法是近年来受到较多关注的一种多相流全场测试技术。本文通过文献综述总结了该方法的最新进展，涵盖了其试验装置构成、多相流图像数据的处理、粒子匹配算法的分类及特点等专题内容，着重对粒子匹配进行了讨论。最后结合工程应用实例分析了使用该方法时应注意的问题。

1、前言 多相流动是自然界及工业生产(特别是过程工业)中最普遍的现象之一。研究多相体系中各相的运动及其作用规律兼具理论及现实意义，各种测试方法层出不穷，粒子追踪测速方法(PTV)就是其中颇具特色的一种。该方法就是通过追踪单个粒子的运动轨迹计算其速度，属于Lagrange类方法，因此能够实现较高的空间精度，近年来在流动测试领域得到了广泛的应用。

2、粒子追踪测速方法 粒子追踪测速可通过2种方式实现:分析顺序采集的、曝光时间较短的多帧图像数据，匹配同一物理粒子计算其位移(速度)，或计算较曝光时间下的粒子光学轨迹长度。尽管后者成本低、实时性强、操作简便，但其精度和处理复杂流动的能力尚未得到认可，目前研究实践中前者仍占绝对主流，本文围绕这一类PTV技术展开。此处的“粒子”既可以是连续相的示踪剂、也可以是分散相，一些具体处理上的差别将在后文介绍。

2.1、数据采集 PTV测速的硬件系统由流体通道、示踪剂或分散相注入设备、光源、图像采集设备、通信设备等构成。流体通道即研究的流场，一些典型的例子包括风洞、水槽等;满足一定要求的微小固体颗粒、液滴及气泡均可作为连续相的示踪剂，将其注入流场之中一般需要专门的设备。当然，由于PTV方法最终处理的对象是数字图像，因此光源及图像采集设备是硬件系统的核心。光源的种类包括激光、卤素灯光、LED灯光及X射线等，其中以激光较为常用，可分为连续和脉冲形式;为了对光源产生的光进行处理，使之满足波长、方位及形状的要求，PTV测试系统中还常安装滤镜、反射镜和透镜等光学元件。图像采集设备主要是CCD和CMOS型的各种数字相机，近年为满足高速流动测试的要求，帧率较高的高速数字照相机的应用不断增加。

国家海洋局第二海洋研究所巩彪进修号：JX10009 专业：物理海洋学PIV瞬时搅拌槽流场的测量实验报告一、实验目的及要求：了解PIV（粒子图像测速仪）的原理，学会整个系统的控制及软件处理，使学生接触目前较先进的高端测速技术。

二、实验装置：1，PIV组件包括：激光电源、激光器、同步器及图像处理系统等。

（见图）2，搅拌槽及操作系统一套（见图）三、PIV基本原理粒子图像测速仪（Particle Image Velocimetry,缩写PIV）属于一种光学测速技术,能获得视场内某一瞬间流动信息。

PIV测速原理是通过测定一个时间间隔内示踪粒子移动的距离来测定粒子的平均速度。

如图1，脉动激光束经光学系统形成很薄的片光源。

在t1用它照射测试流场形成很薄而明亮的流动平面，用垂直该面的高清晰数码相机记录场内流面上的粒子的图像（图1）。

经时间时隔Δt的时刻t2再次用相记拍摄流面上的粒子图像，通过计算机系统，识别出同一粒子的两幅照片上的位置，从而测量出该流面上的粒子移动距离，故Δt中的粒子移动平均速度为：v x=Δx/Δt, v y=Δy/Δt特别要说明的是，PIV测试是将Δt中的平均速度作为时刻t瞬时速度，所以Δt应该尽量小，而测量位移量又要求像平面上的粒子图像不能重叠，要有足够的位移及分辨，因此Δt 不能太小。

一般粒子图像间距离大于两倍的粒子图像直径。

另外，位置量不能超查问区尺寸的1/4，偏离像平面不得超出片光源厚度的1/4，所以Δt必须根据测量对象的流速合理设定。

PIV系统组成PIV测速包括图像的拍摄，图像分析及从中获得的速度信息，速度场显示等。

1、成像系统（1）激光源：两台Yag激光器。

用外同步装置来分别触发激光器以产生脉冲，然后再用光学系统将两路光永冲合并到一处。

脉冲间隔可调范围很大，满足从而实验低速到高速流动的测试.(2)片光源光学系统:光学元件包括柱面镜和球面镜,准直了的激光束通过柱面镜后在一个方向内发散,同时球面镜用于控制片光的厚度.(3)记录装置:两台高分辨率数字摄像机.2、分析显示系统:PIV属于高成像密度图像处理，目前采用的是互相关分析（一种统计方法）。

粒子图像测速互相关中亚像素位移定位的改进方法第一章：引言- 研究背景- 研究意义- 文章结构第二章：粒子图像测速（Particle Image Velocimetry, PIV）简介- PIV原理- PIV系统构建- PIV数据处理第三章：互相关算法及其存在的问题- 互相关算法原理- 亚像素位移定位问题- 互相关算法存在的问题第四章：改进的互相关算法- 基于插值的亚像素位移定位方法- 基于重叠区域的滑动窗口互相关算法- 比较分析改进算法与传统算法第五章：实验与分析- 实验流程- 实验结果分析- 结论与展望第六章：结论- 文章主要贡献- 可能存在的局限性- 进一步研究的建议第一章：引言研究背景：随着精密制造技术和精密测量技术的不断发展，实验测量技术得到了广泛的应用。

粒子图像测速（PIV）技术是一种常用的非接触式测量流场速度的方法。

PIV技术通过先对流场内的流体进行标记，然后利用两个不同时间间隔内的流场图像进行对比，最终得到流场速度场分布。

然而，由于PIV技术采用的是像素级别的图像采集和处理方法，因此在像素级别上存在位置测量误差，这使得精度受到了限制。

研究意义：为了提高PIV技术的精度和准确性，在PIV技术的研究中，亚像素位移定位技术是一个重要的挑战。

互相关算法是一种广泛应用的位移测量方法，被广泛应用于PIV算法的亚像素位移定位中。

然而，传统的互相关算法存在着一些问题，例如：由于互相关算法是基于像素级别的方法，因此在像素尺度上无法进行亚像素位移测量，这限制了PIV技术的精度和准确性。

因此，本文将探讨基于插值的亚像素位移定位方法和基于重叠区域的滑动窗口互相关算法，以提高PIV技术的测量精度和准确性。

文章结构：本文将包括五个章节：第一章：引言，主要介绍了PIV技术及其测量精度的限制，以及本文研究的意义和阐述了文章的结构。

第二章：将介绍PIV技术的基本原理、系统构建、数据处理等方面的知识。

第三章：将介绍互相关算法及其存在的问题，包括亚像素位移定位问题等。

气液两相流动粒子成像测速技术(PIV 研究进展3许联锋, 陈刚, 李建中, 金上海(西安理工大学水力学研究所, 西安710048 摘要:粒子图像测速技术(PI V 作为一种全新的无扰、瞬态、全场速度测量方法, 已被广泛应用于液体或气体的单相流流速场测定。

对于两相流PI V 技术, 目前还处于起步与发展阶段。

本文对近年来两相PI V 技术的发展及取得的成就进行了回顾, 简要地分析了PI V 技术在两相流测量中的潜在优势及存在的困难, 着重对目前两相流PI V 技术中的关键技术-相分离方法进行了较为详尽的总结与评述, 并对PI V 技术在分散相颗粒尺寸及浓度测量方面的应用进行了讨论。

关键词:多相流体力学; 两相流;PI V ; 相分离方法; 粒径分析; 浓度测量中图分类号:T V13113+4文献标识码:AR esearch advances of particle im age velocimetry forgas 2liquid tw o 2phase flowX U Lian feng ,CHE N G ang ,LI Jianzhong ,J I N Shanghai(Institu te o f hydraulics , Xi ’an Univer sity , Abstract :As a new method for non2intrusive velocity measurement ,particle image velocimetry (PI V is widely used in as well as in gas flow , but the tw o 2phase PI V measurement technique is in In recent years ,many researchers have made great efforts in this field and gets ,superiority ,difficulty of PI V used in tw o 2phase flow measurement and the recent of separation methods a key technique in tw o 2phase PI V measurement are presented in this paper. The particle size and concentration measurement methods are als o discussed in this paper.K ey w ords :multiphase fluid mechanics ; tw o 2phase flows ; PI V ; phase separation ; size analysis ; concentration measurement收稿日期:2004203223基金项目:国家自然科学基金项目(50079020 ; 陕西省教育厅科研计划项目(00JK 190作者简介:许联锋,1971年出生, 男, 讲师, 博士1引言气液两相流作为两相流中的一种, 广泛应用于水利、动力、化工、核能、石油、冶金等领域。

粒子图像测速(PIV)技术在烟丝流量检测中的研究曾蕾;赵立宏【摘要】粒子图像测速技术(pIV)是一种全新的非接触式的,瞬时的,全场流速测量方法,广泛应用于流体力学中.本研究将PIV技术引入烟丝运动研究是一个尝试,旨在为烟丝流量的检测提供一个新的测量手段.通过分析烟丝在风送管道内的运动,利用PIV技术并结合PTV技术,采用图像处理得到烟丝的运动速度.粒子图像测速技术具有一定的优势,可以克服传统测量手段的不足.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2011(000)005【总页数】3页(P138-140)【关键词】流场测速:PIV;图像处理;PTV【作者】曾蕾;赵立宏【作者单位】南华大学机械工程学院,湖南街阳421001;南华大学机械工程学院,湖南街阳421001【正文语种】中文【中图分类】TH121 引言随着烟草工业企业集团化的建立和烟草品牌的整合，企业之间的竞争由品牌的单一竞争走向品牌与成本并举的竞争。

主要集中体现在提高卷烟制造水平，提升卷烟制造能力。

目前卷烟厂所使用的卷烟机大多采用管道烟丝进料，这种进料方式的卷烟机通过管道从烟丝喂丝机吸进烟丝送到卷烟机卷制烟支，输送烟丝的过程是全封闭的，难以用普通电子秤进行接触式计量。

并且现有技术只能测量烟丝风送过程中管道中空气流动的速度，不能直接测量烟丝运动速度，更不能计量烟丝的流量。

因此，卷烟厂只采用电子秤或核子秤配合皮带输送系统对多台卷烟机上的总烟丝消耗进行计量，不能对单台卷烟机进行烟丝消耗的计量和控制，这样每个班次，每台卷烟机的烟丝消耗量和损耗均难以做到准确的测量和控制。

对比现在出现的风送烟丝微波计量控制仪的优缺点，引入PIV技术加以改进。

PIV［1］是近20年发展起来的非接触式的流场测量技术，通过对流场图像的互相关分析获取流场运动信息，结合了单点测量技术和显示测量技术的优点，克服了其弱点，具备了单点测量技术的精度和分辨率，能够进行平面二维流场的测试，获得平面流场显示的整体结构和瞬态图像［2］，是一种很有发展前景的无扰动流场测试技术，是流场显示技术的新发展。