PIV測量系統(tǒng)介紹

PIV（Particle Image Velocimetry）系統(tǒng)，即粒子圖像測速技術(shù)，是七十年代末利用圖像處理技術(shù)發(fā)展起來的一種流動測量技術(shù)。隨著近幾十年的不斷完善和發(fā)展，它克服了以往空間單點測量的局限，能夠進行平面二維或空間三維流場測量，是一種非接觸的、瞬態(tài)、全場流場測量的技術(shù)[1]。

圖1 PIV系統(tǒng)在風洞中測量車輛尾流[2]

傳統(tǒng)的流態(tài)顯示、單點測量技術(shù)等為了解汽車周圍流場的流動機理、湍流結(jié)構(gòu)等方面做出了很大貢獻，提供了大量的實驗數(shù)據(jù)，但汽車是有著復雜曲面造型的運動體，其周圍的流場結(jié)構(gòu)極其復雜，這些技術(shù)方法仍然不能滿足更深層次流動機理、湍流特性研究的需要。PIV技術(shù)作為研究各種復雜流場的一種基本手段，已廣泛應用于各種流動中，從定常到非定常、低速到高速、單相到多相，突破了空間單點測量的局限，可在同一時刻記錄整個測量平面的有關(guān)信息，從而獲得流動的瞬時速度場、脈動速度場、渦量場和雷諾應力分布等，因此，PIV技術(shù)很適合湍流結(jié)構(gòu)復雜的流場測量[1]。

圖2 轎車尾流的大尺度PIV測量 https://www.lavision.de/en/applications/automotive/index.php

風洞實驗室是研究汽車空氣動力特性的重要方法之一，將PIV系統(tǒng)應用于風洞實驗中，可有助于提高汽車空氣動力學特性測量精度和優(yōu)化效率。


圖3 PIV測量系統(tǒng)搭建在汽車風洞中[1]

PIV系統(tǒng)組成和測量原理

PIV系統(tǒng)主要由成像系統(tǒng)、圖像分析系統(tǒng)、示蹤粒子發(fā)生器系統(tǒng)組成。成像系統(tǒng)由激光器、片光元件、導光臂、激光脈沖同步器、CCD攝像機組成；圖像分析系統(tǒng)主要由圖像采集板、圖像分析軟件及計算機組成；示蹤粒子發(fā)生器系統(tǒng)由示蹤粒子和煙霧發(fā)生器組成[1]。


圖4 PIV系統(tǒng)的組成[4]

在利用PIV技術(shù)測量流速時，需要在流場中均勻散布跟隨性、反光性良好且比重與流體相當?shù)氖聚櫫Ｗ?。將激光發(fā)生器產(chǎn)生的光束經(jīng)透鏡散射后形成一定厚度的片光源入射到流場待測區(qū)域，CCD相機以垂直于片光源的方向?qū)试搮^(qū)域。利用示蹤對光的散射作用，記錄下兩次脈沖激光曝光時粒子的圖像，形成兩幅PIV底片（即一對相同待測區(qū)域、不同時刻的圖片），底片上記錄的是整個待測區(qū)域的粒子圖像。采用圖像處理技術(shù)將所得圖像分成許多很小的區(qū)域（稱為查問域），采用自相關(guān)或互相關(guān)統(tǒng)計技術(shù)求取查問域內(nèi)粒子位移的大小和方向，脈沖時間間隔已設定，粒子的速度矢量即可求出。對查問域中所有粒子的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計平均可得該查問域的速度矢量，對所有查問域進行上述判定和統(tǒng)計可得出整個流場的速度矢量場、渦量場、流線等流場特性參數(shù)分布。在實測時，對同一位置可拍攝多對曝光圖片，這樣能夠更全面、更準確地反映出整個流場內(nèi)部的流動狀態(tài)[4]。


圖5 PIV測試技術(shù)基本原理 https://www.fithydro.wiki/index.php/File:Piv_2d_system.png

PIV測試技術(shù)在汽車風洞中的應用


圖6 PIV系統(tǒng)測量轎車尾流，并用移測架控制相機位置[2]


圖7 PIV系統(tǒng)測量某卡車模型尾流[5]


圖8 PIV系統(tǒng)測量轉(zhuǎn)動車輪尾部流場[6]


圖9 PIV測量汽車后視鏡尾流縱向垂直面和橫向垂直面
瞬態(tài)速度域[6]

展望

傳統(tǒng)常規(guī)的二維PIV系統(tǒng)主要通過一個CCD或CMOS相機測量二維平面兩個方向的速度分量（2D2C）；Stereo PIV可以使用兩個相機通過一個平面測量三個方向的速度分量（2D3C）。如今，PIV技術(shù)不斷迭代更新以及對流場測速新課題的挑戰(zhàn)不斷出現(xiàn)，迫切需要三維PIV的深入研究和實踐，如Volumetric PIV（或TOMO PIV）可以通過兩個或更多相機測量空間內(nèi)的三個方向的的速度分量（3D3C），對流場某個容積內(nèi)瞬時或連續(xù)的三維速度測量等，以更好地揭示流場內(nèi)部復雜的三維結(jié)構(gòu)，更深刻地反映流場的流動機理，從本質(zhì)上反映流場的性質(zhì)。

當前，為了完善汽車周圍流場的測量方法并提高測試效率，有學者已經(jīng)通過外出服和自動控制技術(shù)，開發(fā)出二維粒子成像冊數(shù)系統(tǒng)的自動測量技術(shù)（自動PIV）。甚至也有利用機械人PIV系統(tǒng)對車輛周圍三維流場自動且連續(xù)地測量。


圖10 機器人PIV系統(tǒng)測量汽車模型風洞流場[7]


參考文獻：
[1] 陳細軍等，PIV技術(shù)在汽車模型風洞中的應用，2009
[2] Timo Kuthada et al., The Effects of CoolingAir on the Flow Field around a Vehicle,2016
[3] Yuyu Zhu et al., Application of theVortex Identifcation Algorithms in the Study of the Shear Layer in A 3/4 OpenJet Automotive Wind Tunnel, 2018
[4] 張英朝等，汽車風洞的PIV試驗技術(shù)，2009
[5] James T. Heineck et al., 3D PIV inWind Tunnel Applications Measurements of a Truck Wake, 1999
[6] Antonello Cogotti et al., Presentation of Flow FieldInvestigation by PIV on a Full-Scale Car in the Pininfarina Wind Tunnel, 2000
[7] Andrea Sciacchitano et al., Investigation of the Ahmed bodycross-wind flow topology by robotic volumetric PIV, 2019