PIV measurement of the attached plane jet velocity field at a high turbulence
第06章 流速测量3-(PIV)
-metry comb. 构成 名词，表示“测量学、 度量学” Velocimeter:速度计, 速度表 Velocimetry:测速
PIV的特点
瞬态流场测试
对于燃烧火焰、自然对流等典型的瞬态流场。单点测量不 可能达到测量的目的。 在同一时刻记录下整个信息场才能看到空间结构。 只有通过诸如PIV技术才可能获得流动中的小尺度结构的 图像。 稳定流动指的就是脉动速度与平均速度相比很小的流动。
(4) 分析显示系统
显示系统的目的：
通过对图像的数据处理得到速度分布
该方法的特点:
显示系统不是跟踪某一个粒子，而是在一个小区内（诊 断点）进行统计处理。
对于高像密度的PIV来说，在每一个诊断点内
像密度至少使Ni 10~20； 像点直径约在10~25m；
诊断点直径小于几mm；
粒子位移可以从10 m到mm量级。
流动空间结构
某些稳定流场的测试需要
比如狭窄流场，其流动本身是稳定的，但由于流场狭小， 激光多普勒测速(LDV)的分光束难以相交成可测状态，而 热线风速计(HWFA)又会破坏流场的状态。
源密度
源密度定义
N s CZ 0
d e
4M
2
2
式中 C --- 粒子浓度 Z0 --- 片光源厚度 M --- 照相机的放大率 de --- 底片上粒子像的直径
第6章 流速测量
测压管与测速技术
热线热膜风速仪
激光多普勒测速技术
粒子图像测速技术
第6.4节 粒子图象测速技术(PIV)
概念：利用粒子的成像来测量流体速度的 这一类技术，均可称为粒子图象测速技术。
三维piv测量原理
三维piv测量原理
三维PIV测量原理：
①三维粒子图像测速技术作为流体力学实验中一种先进手段能够实现对湍流边界层复杂流动结构非接触式全场测量；
②技术核心在于利用激光光源照射流场中播撒粒子通过高速相机记录粒子运动轨迹图像分析获得速度矢量信息；
③与二维PIV相比三维系统需至少三台不同角度布置的相机同步拍摄同一时刻流场确保获取空间立体视角；
④激光源通常采用平面激光诱导荧光PLIF技术产生薄层光束照射流体使其中粒子散射或荧光发光；
⑤为提高信噪比激光脉冲能量强度需达到一定水平同时要求粒子浓度适中过密会导致遮挡过稀则影响跟踪精度；
⑥相机镜头光圈快门速度等参数需精心调试以捕捉清晰粒子图像背景光干扰需降到最低；
⑦图像处理阶段首先进行预处理包括去噪配准拼接等操作然后采用相关算法计算粒子位移；
⑧常用方法有窗口相关全局相关特征点匹配等其中窗口相关法因其实现简单应用最为广泛；
⑨通过分析相邻时间步长图像间粒子位移变化即可得到该位置平均速度瞬时速度脉动速度等参数；
⑩三维PIV技术在航空航天汽车设计水力学等领域有着广泛应用如模拟翼尖涡结构优化发动机内部气流组织；
⑪随着硬件性能提升算法优化三维PIV正向着更高时空分辨率实时在线监测方向发展；
⑫正确理解和掌握三维PIV测量原理对于深入研究流体动力学现象指导工程实践具有重要意义。
FundamentalsofAerodynamics
Fundamentals of Aerodynamics
Fourth Edition
John D. Anderson, Jr.
Curator of Aerodynamics National Air and Space Museum Smithsonian Institution and Professor Emeritus University of Maryland
பைடு நூலகம்
Contents
xiii
Chapter 4 Incompressible Flow over Airfoils 295 4.1 4.2 4.3 4.4 Introduction 297 Airfoil Nomenclature 300 Airfoil Characteristics 302 Philosophy of Theoretical Solutions for Low-Speed Flow over Airfoils: The Vortex Sheet 307 4.5 The Kutta Condition 312
Inventarisiert unter
TECHWISCHE UNIVERSITAT DARMSTADT
Fachgebiot Konstruktiver Leichtbau und Bauwelsen Prof. Dr.-lng. Helmut Schurmann S4287 Darmstadt, PetersenstraBe 30
187
3.19
3.20 3.21 3.22
190
Incompressible Flow in a Duct: The Venturi and Low-Speed Wind Tunnel 197 Pitot Tube: Measurement of Airspeed 210 Pressure Coefficient 219 Condition on Velocity for Incompressible Flow 221 Governing Equation for Irrotational, Incompressible Flow: Laplace's Equation 222 3.7.1 -. Infinity Boundary Conditions 225 3.7.2 Wall Boundary Conditions 225 Interim Summary 226 Uniform Flow::Our First Elementary Flow 227 Source Flow: O u r Second Elementary Flow 229 : ...; .•,..= :. ....• Combination of a Uniform Flow with a Source and Sink 233 Doublet Flow: Our Third Elementary Flow 237 Nonlifting Flow over a Circular Cylinder 239 Vortex Flow: Our Fourth Elementary Flow 245 Lifting Flow over a Cylinder 249 The Kutta-Joukowski Theorem and the Generation of Lift 262 Nonlifting Flows over Arbitrary Bodies: The Numerical Source Panel Method 264 Applied Aerodynamics: The Flow over a Circular Cylinder—The Real Case 274 Historical Note: Bernoulli and Euler—The Origins of Theoretical Fluid Dynamics 282 Historical Note: d'Alembert and His Paradox 287 Summary 288 Problems 291
基于PIV测量的涡轮流量计响应分析
粒子图像测速技术
粒子图像测速技术（PIV ）1．PIV 简介粒子图像测速技术(PIV)作为一种全新的无扰、瞬态、全场速度测量方法，在流体力学及空气动力学研究领域具有极高的学术意义和实用价值。
粒子图像测速技术（PIV ）是一种用多次摄像以记录流场中粒子的位置，并分析摄得的图像，从而测出流动速度的方法。
PIV 是流场显示技术的新发展。
它是在传统流动显示技术基础上, 利用图形图像处理技术发展起来的一种新的流动测量技术。
动测量技术。
综合了单点测量技术和显示测量技术的优点综合了单点测量技术和显示测量技术的优点, 克服了两种测量技术的弱点而成的, 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。
的整体结构和瞬态图像。
图1. 粒子图像测速技术粒子图像测速技术2．PIV PIV的原理的原理PIV 技术原理简单，就是在流场中撤入示踪粒子，以粒子速度代表其所在流场内相应位置处流体的运动速度．应用强光(片形光束)照射流场中的一个测试平面，用成像的方法(照像或摄像)记录下2次或多次曝光的粒子位置，用图像分析技术得到各点粒子的位移，由此位移和曝光的时间间隔便可得到流场中各点的流速矢量，并计算出其他运动参量(包括流场速度矢量图、速度分量图、流线图、漩度图等)。
因采用的记录设备不同, 又分别称FPIV FPIV ( ( 用胶片作记录) 和数字式图像测速DPIV （用CCD 相机作记录)。
3．PIV PIV系统组成系统组成PIV 系统通常由三部分组成, 每一部分的要求都相当严格。
每一部分的要求都相当严格。
图2. 粒子图像测速系统结构粒子图像测速系统结构（1）直接反映流场流动的示踪粒子。
除要满足一般要求( 无毒、无腐蚀、无磨蚀、化学性质稳定、化学性质稳定、清洁等清洁等) 外,还要满足流动跟随性和散光性等要求。
还要满足流动跟随性和散光性等要求。
要使要使粒子的流动跟随性好, 就需要粒子的直径较小, 但这会使粒子的散光性降低,不易于成像。
piv实验报告
piv实验报告PIV实验报告引言：PIV（Particle Image Velocimetry）是一种用于测量流体中速度场的非侵入式实验技术。
通过投射激光束照亮流体中的颗粒，再通过高速摄像机捕捉颗粒的运动轨迹，从而得到流体的速度分布。
本实验旨在通过PIV技术研究流体的流动特性，探索其在工程领域的应用。
实验装置：实验装置由激光器、光学系统、流体容器、高速摄像机和数据处理系统组成。
激光器产生一束高能激光束，通过光学系统聚焦到流体容器中的感兴趣区域。
高速摄像机以高帧率连续拍摄流体中颗粒的运动轨迹，并将图像传输至数据处理系统进行后续分析。
实验步骤：1. 准备工作：清洁实验装置，确保光学系统无尘，流体容器无杂质。
2. 调试激光器：调整激光器的功率和聚焦点，使其能够提供足够的照明强度。
3. 准备流体：选择适当的流体，并在容器中注入。
确保流体的温度和浓度符合实验要求。
4. 设置摄像机参数：根据实验需求，设置摄像机的曝光时间、帧率和分辨率。
5. 拍摄图像：将摄像机对准感兴趣区域，开始连续拍摄图像。
6. 数据处理：将图像传输至数据处理系统，使用PIV软件对图像进行处理，得到速度场分布。
实验结果：通过对实验数据的处理和分析，我们得到了流体中的速度场分布图。
在流体容器中，我们观察到了流体的流动特性，并得到了以下结论：1. 流速分布：在流体中心区域，流速较快，流速逐渐减小，形成速度梯度。
这与流体在管道中的流动规律相符。
2. 湍流现象：在某些区域，我们观察到了湍流现象，即流体的速度变化非常剧烈，形成涡旋。
湍流现象对于工程领域的流体控制和能量转换具有重要意义。
3. 边界层：在流体与固体壁面接触的区域，我们发现了边界层的存在。
边界层是流体流动的特殊区域，对于流体的传热和质量传递起着重要作用。
实验讨论：通过PIV实验，我们成功地研究了流体的流动特性，并得到了流体的速度场分布。
这对于理解流体力学、优化工程设计以及解决流体相关问题具有重要意义。
13-基于粘性涡粒子的旋翼尾迹模型-魏鹏-6
135第二十六届（2010）全国直升机年会论文基于粘性涡粒子方法的旋翼自由尾迹模型魏鹏 徐国华 招启军（南京航空航天大学直升机旋翼动力学重点实验室，南京210016）摘要: 准确分析直升机旋翼尾迹特性对旋翼气动载荷分析、动力学响应研究以及噪声预估等有着重要意义。
本文采用粘性涡粒子方法，建立了一套适合于旋翼尾迹流场特性分析的模型。
该模型通过应用拉格朗日涡方法求解不可压NS 方程，从物理上计入了尾迹畸变效应和空气粘性影响，可克服传统自由尾迹方法依赖于经验涡核半径的不足。
通过采用多层自适应Treecode 快速算法，解决了计算涡粒子间相互诱导速度时的耗时问题。
最后，应用该尾迹模型计算了不同飞行状态的流场特性，并通过与实验值对比，验证了该方法的有效性。
关键词：直升机；旋翼尾迹；涡方法；粘性；Treecode 算法引言旋翼尾迹与固定翼飞行器尾迹相比具有明显区别，旋转的旋翼拖出的螺旋状尾涡系堆积到旋翼下方与桨叶发生着严重的干扰，对旋翼气动载荷特性、噪声特性以及动力学特性等都产生了重要影响。
准确分析和预测旋翼尾迹特性，对于预测及优化直升机载荷和其它气动特性，具有重要意义。
对于旋翼尾迹特性的研究，当前主要有两种方法：涡方法和CFD 方法。
随着数值计算技术以及计算机的飞速发展，CFD 方法已经逐渐应用到了旋翼流场的分析中，取得了很好的效果。
然而CFD 自身的数值耗散问题使其需要大量网格数量才能保证旋翼尾迹模拟的准确性，对于计算资源具有很高的要求。
相比之下，涡方法具有低数值耗散和色散、易满足CFL 稳定性约束、效率相对较高等优点，刚好弥补了CFD 方法的一些不足。
经过几十年的发展，涡方法在旋翼尾迹的应用已经取得了很大成就[1-4]，国内外已经提出了许多有效的基于涡方法的旋翼尾迹模型。
然而这些研究大多基于无粘线涡离散涡方法，旋翼尾迹粘性影响需靠经验涡核模型来修正。
针对线涡的离散涡方法不能准确计入粘性扩散影响的不足，国外一些学者开始研究一种基于粘性涡粒子离散涡方法的旋翼尾迹模型[5, 6]，初步验证表明该方法通过应用拉格朗日涡方法求解不可压NS 方程，有效地解决了传统自由尾迹粘性扩散依赖经验参数的弱点。
PIV原理及其应用
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。
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PIVmeasurementoftheattachedplanejetvelocityfieldatahighturbulenceintensitylevelinaroom
GuangyuCaoa,b,*,MarkkuSivukarib,JarekKurnitskic,MikaRuponendaTechnicalResearchCentreofFinland(VTT),Vuorimiehentie5,Espoo02044,Finland
bDepartmentofEnergyTechnology,AaltoUniversity,Otakaari4,Espoo02150,Finland
cFinnishInnovationFund,Itämerentori2,Helsinki00181,Finland
dHaltonOy,Haltonintie1–3,Kausala47400,Finland
articleinfoArticlehistory:Received8June2009Receivedinrevisedform6April2010Accepted19April2010
Keywords:PIVAttachedplanejetJetvelocityTurbulenceintensity
abstractThebehaviourofanattachedplanejetathighturbulenceintensity(>20%)isnotcompletelyunderstood,especiallyatrelativelylowReynoldsnumbers(<2000)inaroom.Thisstudyfocusesonthedetailedmeanandinstantaneousjetflowfieldusingtheparticleimagevelocimetry(PIV)measurementtechniqueinafull-scaleclimatechamber.ThreeisothermalconditionsatdifferentReynoldsnumbersbasedonthejetslotheightandslotaveragevelocity,960,1320and1680,weremeasured,havingaturbulenceintensityof44%,30%and22%,respectively.Theresultsshowthatthemeasuredjetvelocitywasabletomatchtheearlierempiricalturbulentjetresultswhentheturbulenceintensitywasoftheorderof40%.Incompleteself-similarityoccurswhentheturbulenceintensityislessthan30%.Afterafewslotheightsdownstreamfromthejetslot,mostofthedataofthejetattheReynoldsnumber960presentself-similaritycharacteristics.Ó2010ElsevierInc.Allrightsreserved.
1.IntroductionTheattachedplanejet,alsocalledthetwo-dimensionalwalljet,hasbeenstudiedformanydecadesindifferentengineeringappli-cations(Glauert,1956;Rajaratnam,1976;Abrahamsson,1997;Zou,2001).Inpracticalengineeringapplications,attachedplanejetdischargingisacommonapplicationusedfortheventilationorairconditioninginaroom(Karimipanah,1996).Thedischargingjetflowfromdiffusersisdesignedtoattachtotheceilingorthewallsurface,sothatthehigh-velocityregionisrestrictedoutsidetheoccupiedzone(GoodfellowandTähti,2001;Caoetal.,2007,2008).Afterthejetexitsfromtheopening,thepotentialcoreofthejet,whichrepresentsashortdistancefromthejetslotpreserv-ingthejetslotvelocity,isconsumedatthepointwherethebound-arylayergrowthonthesurfacemeetstheshearlayerexpansionatthefreeboundary(Awbi,1991).Thedownstreamjetcoreflowundergoesatransitionprocessandbecomesfullydeveloped.
1.1.Self-similarityandjetzonesoftheattachedplanejetTheearliestknownworkontheattachedplanejetwascarriedoutbyFörthmann(1934),describedandquotedinSchwarzandCosart(1961),Rajaratnam(1976),andAwbi(1991).Thefirsttheo-
reticalinvestigationoftheincompressibleisothermallaminarat-tachedplanejetwasundertakenbyTetervin(1948),presentedinQuintanaetal.(1997).Tetervinpredictedthattheboundarylayerthicknessoftheattachedjetwouldgrowandthelocalmaximumvelocitywoulddecaywiththedownstreamdistanceasx0.75and
xÀ0.5,respectively.Generally,thenon-dimensionaljetvelocitypro-filesshouldbesimilaratadifferentdistancefromthejetslotinthefullydevelopedzoneoftheturbulentjet.Thisreferstotheself-similarityofthejet,whichisoneofthecharacteristicsofthetur-bulentjetinthefullydevelopedzone(Rajaratnam,1976;Awbi,1991).Glauert(1956)achievedasimilaritysolutionforthelaminarandturbulentradialandattachedplanejet.BajuraandSzewczyk(1970)carriedoutanexperimentalinvestigationonlaminarwalljetsandobtainedgoodagreementwithGlauert’ssimilaritysolu-tioninthelaminarcondition.Undernon-isothermalconditions,thedifferentjetzoneshavebeenidentifiedbyexperimentalstud-iesandfoundtobedependentontheinitialconditions,includingtheslotReynoldsnumberandtheinitialArchimedesnumber(Caoetal.,2009a).Generally,afour-zonedivisionintothepotentialcorezone,transitionzone,fullydevelopedturbulentzone,andtheterminalzonewasusedtodescribethefreejetflowfieldbyTuve(1953),ci-tedbyHagströmetal.(1999)andGoodfellowandTähti(2001).Asfortheclassificationoftheattachedplanejetzones,onlytwozones,thepotentialcorezoneandthecharacteristicdecayzone,werepresentedbyAwbi(1991)underisothermalconditions.Undernon-isothermalconditions,athree-zonedivisionintothe
0142-727X/$-seefrontmatterÓ2010ElsevierInc.Allrightsreserved.doi:10.1016/j.ijheatfluidflow.2010.04.008
*Correspondingauthorat:P.O.Box1000,FI-02044VTT,Finland.Tel.:+358401993513;mobile:+358503902475;fax:+358207227015.E-mailaddress:guangyu.cao@vtt.fi(G.Cao).
InternationalJournalofHeatandFluidFlow31(2010)897–908ContentslistsavailableatScienceDirectInternationalJournalofHeatandFluidFlow
journalhomepage:www.elsevier.com/locate/ijhff