河工模型试验中的DPIV技术及其应用
粒子图像测速
粒子图像测速(PIV)技术摘要：在流场显示测量技术中,粒子图像测速(PIV)技术占有相当重要的地位。
本文重点介绍了PIV的测试原理及应用要求。
关键词：流场显示测量；粒子图像测速(PIV)；DPIV系统0.前言人类至今对流体力学中仍有许多疑难问题(如湍流、非定常流动等)了解其少，而在许多工程应用(如毪行器外形设计、内燃机燃烧室中的多相流动等)中又迫切需要解决这些问题，固而使流场测量涮题变得极为重要。
早期的热线热膜流速计(HWFA)在流动测量特别是湍流研究中占有相当重要的地位，但由于属于接触式测量，对流场干扰甚大，影响了测量的准确度。
随着激光，微电子及计算机技术的飞速旋展和光泛应用，以激光为光源，利用激光散射和干涉原理，人们开发了许多新的测试技术．如激光多谱勒技术、激光散射技术、激光全息技术、激光诱发荧光技术和PIV 技术等。
在所有这些流场显示与测量技术中，PIV．数字PIV(DPIV)技术及其演化发展而来的HPIV技术，因为可以实现埘二维和三维流场的全场非接触测_量并且具有精度高、对流体特性的适应性宽、实现成本不高等特点而广受关注，发展很快。
PIV即粒子图像速度场仪，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。
综台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，既具各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。
PIV技术从原理发展到成为一种实用的技术．首先要归功于Adrian和Mcrzkirch所做的贡献。
迄今为止，在j维全场测速技术Ip，PIV是最成熟的一种新技术，已迅速变为测速的标准方法，其产品也已走向市场(美国的TSI公司和Aerometrics公司，德围的Lavision 公司以及丹麦的Dantec公司等均有成套产品推出)。
PIV技术的基本原理是：在流场中布撒示踪粒子，并将脉冲激光片光源入射到所测流场区域中，通过连续两谈或多次曝光，粒子的图像被记录在底片上或CCD相机上。
DPIV在水洞流场均匀度校测中的应用
DPIV在水洞流场均匀度校测中的应用
DPIV在水洞流场均匀度校测中的应用
用数字式粒子图像测速技术(DPIV)及特定预偏置技术校测水洞流场,并将测量结果与用传统流场校测方法测得的结果相比较,发现特定预偏置技术显著提高了流场测量精度,适用于流场校测.
作者：黄湛申功炘魏润杰郭辉作者单位：北京航空航天大学,飞行器设计与应用力学系刊名：北京航空航天大学学报 ISTIC EI PKU 英文刊名：JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS 年，卷(期)：2002 28(5) 分类号：O357.5+4 关键词：水洞流场校测试验精度数字式粒子图像测速预偏置方法。
科技成果——模型黄河流场一体化集成测量系统
科技成果——模型黄河流场一体化集成测量系统
技术开发单位黄河水利委员会黄河水利科学研究院、北京尚水信息技术股份有限公司
成果简介
1、大规模组网
模型黄河流场一体化集成测量系统是高度集成的系统，通过实验云中心可实现设备、数据的统一管理操作,避免了以往多组试验、多台电脑之间进行数据整理的繁琐过程。
2、先进测速算法
PTV算法（粒子跟踪图像测速法）跟踪视场中的单个粒子，还原多帧之间的粒子轨迹，利用时间差进行测速。
3、集成尖端设备
将常规用于芯片流水线精密检测上的工业级相机用于表面流场测量，提高测量分辨率；并使用光纤网络将供电与传输功能合二为一，精简布线。
4、多方式组合
支持单路、多路等常规的数据采集，也支持按照一定周期进行采集，支持多种数据交互功能，无需输入复杂的参数即可进行操作管理。
应用情况
模型黄河试验基地中布设模型黄河流场一体化集成测量系统，配设大吞吐量高效管理服务中心，可同时开展多个模型试验的表面流场测量工作。
“模型黄河流场一体化集成测量系统”极大地节省了实验的测量时间，提高了实验精度和效率，为黄科院提供了高效的测量手段，大幅降低人员投入，同时也增强了实验报告的科技含量。
作为模型黄河智慧管理体系的组成部分，为基地建设成为行业高水平的科研平台提供了重要支撑。
河工模型试验中的DPIV技术及其应用
河工模型试验中的DPIV技术及其应用河工模型试验是研究河流水文特性、河流底部和岸边结构力学性能、水力和泥沙运动规律等问题的主要手段之一。
在模型试验中，流场测量是非常关键和复杂的问题。
传统的流场测量方法需要依靠激光光束和热线测量技术，但是这些方法仅仅可以获取流场表面的一些参数，不能真正地反映流场三维结构的特征。
而数字粒子成像测量技术（Digital Particle Image Velocimetry，DPIV）的出现为流场测量带来了新的革命性进展。
DPIV技术原理数字粒子成像技术是一种通过在流体中加入荧光涂层发射出来的浮游颗粒，使用激光即可记录下整个流场的测量方法。
DPIV还可以对测量的视频图像进行处理，获得测量区域的瞬时速度场、涡旋等流体物理量。
这使得它在模型流场实验中变得越发广泛地应用。
应用场合DPIV技术是一种非侵入式的、精确可靠的流场测量技术。
在河工模型试验中，DPIV可以被广泛地应用于研究液体流动行为、测量速度场、涡旋及液体表面压力等流体力学问题。
通过DPIV技术可以获取高时间分辨率和高空间分辨率的高质量流速场数据，为研究流体物理学问题提供了强有力的工具。
DPIV的优势DPIV技术具有以下几个优势：1.非侵入性：DPIV不需要在流场中插入任何物体，因此不会干扰流场。
2.高精度：DPIV技术对流场细节可以进行精确的测量，获取高质量的流速场数据，能够更好地研究流体物理学问题。
3.高时空分辨率：DPIV提供高时空分辨率的测量，可以捕捉到流体运动的瞬时和定量的变化。
它的空间分辨率在数百个微米甚至更高的情况下可以达到亚像素级别。
4.多点测量：DPIV可以同时对测量平面上的数百个位置进行测量，从而获得完整的流速向量场，为研究流体物理问题提供了更全面的信息。
河工模型试验中DPIV技术的应用河工模型试验中，DPIV技术主要应用于以下几个方面：1.水力学试验通过DPIV技术，可以直观地观察到水流流线的形态，瞬时流速和流量特征值的变化。
DPIV技术在模型黄河中的应用
而 且其 开 发 成 本 随 着 计 算机 性 能 的提 供 ， 快 速 降 低 。基 于 Ｐ Ｉ Ｖ 技 术 的上 述优 点 ， 当前 ， 其 已成 为 流 体 力学 测量 研 究 中 的 热 门
课题 。
Ｄ Ｐ Ｉ Ｖ通 过在 流 场 中布 撒 大 量 与流 体介 质颜 色 相 区别 、 且随
Ｔ蓍 Ｇ Ｙ 胛Ｌ ．
ＤＰ Ｉ Ｖ技术在模型黄河中的应用
卢志 强 ’ ． 孟 芸
（ １ 河 南大 学计 算机 与 信息 工程 学院 ， 河 南开 封
４ ７ ５ ０ ０ ２； ２ 河 南 理工大 学 万方 科技 学 院 ， 河 南郑 州
４ ５ １ ４ ０ ０ ）
摘 要 首先根据 模 型 黄 河的特 点 ， 阐述 了 Ｄ Ｐ Ｉ Ｖ 技 术 测量 流速 的基 本原 理。 然后 ， 讲 解 了作 者利 用 Ｄ Ｐ Ｉ Ｖ 技术 ， 设 计
． ．
等处理 ， 可 以实 现 复杂 环境 下被 测 流 体 的全 流场 检 测 。一 般 的
流场 测 量 设备 要 求 把测 量 传 感 器 一起 放 入流 场 中 ， 这 样势 必 对 流场 产生 …定 影 响 。Ｄ Ｐ Ｉ Ｖ很好 的解 决 了这个 问题 ， 它是 “ 看’ ’ ± 历， 而不 是 “ 摸” 场 。另外 Ｐ Ｉ Ｖ 技 术 具有 很高 的测量 精度 和测 量 范 围 ，
在 河 工模 型试 验 中 ， 模 型 中流场 测 量 的是一 项 重要 的 内容 。 “ 模型 黄河 ”模拟 自然 黄河 ， 在气 候环 境 的影 响下 ， 河 道水 纹 变
化剧烈 ， 岸线 形状 复 杂 ， 利用 Ｄ Ｐ Ｉ Ｖ 测 量黄 河模 型 的流 速变 化 情 况 ， 成 为 行之 有效 的技 术手段 。
河工模型断面水面边界激光快速扫描测量
河工模型断面水面边界激光快速扫描测量
胡向阳;许明;张文二;马志敏
【期刊名称】《长江科学院院报》
【年(卷),期】2017(034)011
【摘要】针对河工模型大范围断面垂线流速的自动采集系统对水面边界快速测量的需要,研制出了一种基于激光扫描原理的水面边界快速测量装置,该装置采用高分辨率线阵式CCD和激光三角法原理,实现了模型断面水面边界的快速扫描测量,并已成功应用于河工模型大范围流速同步采集与应用示范项目中.该方法具有测量速度快、精度高、无接触等优点,是河工模型水面边界快速测量很好的解决方案.【总页数】4页(P144-147)
【作者】胡向阳;许明;张文二;马志敏
【作者单位】长江科学院河流研究所,武汉430010;长江科学院河流研究所,武汉430010;长江科学院河流研究所,武汉430010;武汉大学电子信息学院,武汉430072
【正文语种】中文
【中图分类】TV131.66
【相关文献】
1.河工模型试验中的快速水位波动测量技术及软件平台的搭建 [J], 王健;王虹;任裕民;邵学军
2.河工模型断面垂线流速自动测量系统的研制 [J], 胡向阳;马辉;许明;张文二
3.河工模型水下地形激光自动测量系统的开发 [J], 杨文;薛雷平;胡天群;张景新
4.应用激光扫描法测量激光快速成形技术制作全口义齿钛基托的适合性研究 [J], 吴江;赵湘辉;沈丽娟;高勃
5.基于三维激光扫描的铁路隧道净空断面测量 [J], 周世明
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piv技术在水垫塘实验模型淹没射流中的应用（1）
PIV技术在水垫塘实验模型淹没射流中的应用张明亮，陈刚，许联锋，李志高（西安理工大学水力学研究所西安 710048）摘要本文使用PIV技术对模型单股淹没射流流场进行了测量,得到流场的流态及其它的特征参数：等流函数线、涡量、湍动能等，这些参数对水利工程中水垫塘的理论研究有重要的意义。
本文系统地研究了水垫塘的流动特征，测量结果可为数值模拟水垫塘流场提供对比的数据，为降低塘底动水压强、充分发挥水垫塘的消能效率和水垫塘的优化设计提供指导和依据。
关键字PIV，淹没射流，湍动能Application of PIV for submerged jet in water cushion poolZhang Ming-liang, Chen Gang, Xu Lian-feng, Li Zhi-gao(Institute of Hydraulics, Xi’an university of Technology Xi an,710048)Abstract Flow fields of single submerged jet in water cushion pool are measured by PIV method. Flow state and other characteristic parameter: equal stream line,vortx ,kinetic energry are found. The parameters have important meaning for theoretic investigation in water project. This measure results offer datas for numerical simulation of water cushion pool. A guide for optimazing the design of water cushion pool are offered in this paper.Key words PIV, submerged jet, kinetic energry1 前言泄洪消能是我国高坝建设中非常突出的关键问题。
DPIV技术测量流冰速度应用研究
DPIV技术测量流冰速度应用研究
许自舟;曾苇;邵秘华;任富安;孙延维
【期刊名称】《海洋环境科学》
【年(卷),期】2007(26)1
【摘要】基于数字信号分析原理,对连续两幅图像进行互相关分析,寻找互相关函数的峰值;应用数字粒子图像测速(digitalparticle image velocimetry)技术,并通过计算机VC编程,解决了用于雷达测量单点流冰速度的不足;为大范围区域内流冰场瞬时速度的计算,实时雷达测量辽东湾海上流冰速度场提供了有应用价值的方法。
【总页数】4页(P81-84)
【关键词】数字粒子图像测速技术;互相关;傅里叶变换;流冰速度;辽东湾
【作者】许自舟;曾苇;邵秘华;任富安;孙延维
【作者单位】大连海事大学环境科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP79;X87
【相关文献】
1.基于DPIV的刚性摆动翼鳍流场测量技术研究 [J], 周海波;尹贇凯
2.DPIV技术及其在流场测量中的应用 [J], 高殿荣;王益群;申功炘
3.绕水翼空化流动速度分布的DPIV测量与分析 [J], 李向宾;刘淑艳;王国玉;张博;张敏弟
4.超音速喷流DPIV瞬时速度场实验测量 [J], 代钦;魏润杰;黄湛;申功
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河工模型试验中的DPIV技术及其应
用
摘要粒子图像测速是一种快速全
流场测量方法。
本文根据河工模型试验的特点建立了一套多CCD的DPIV测量系统，在
自然光照明的条件下对河工模型近千平方
米区域内流体的表面流厨行快速测量；根据河工模型中粒子分布的特点，对PIV常用的速度提取算法(互相关和二次傅立叶变换)
进行了改进，提高了速度提取的效率，在一定的分辨率前提下达到了对河工模型表面
流场实时测量和记录的要求，测量误差较小。
关键词粒子图像测速河工模型速度测量
流场显示
0 引言河工模型是探讨河流工程问题
的有效研究方法之一，但由于河工模型尺寸大，观测的范围广，使用单点式速度测量仪器费时费力；对于动床模型或非定常流动模型，床面和边界形态均在不断变化之中，因
此，在河工模型试验中采用全场实时测速技术十分必要，具有很大的科研和经济价值。
粒子示踪的图像全场测速技术(Particle Image Velocimetry[1，和Particle Tracking Velocimetry[3，4])以及数字化粒子图像测速技术(Digital PIV和Digital PTV)具有方便快捷的特点，在流体力学研究中得到了广泛应用。
国内科研人员根据PIV 和PTV的基本原理，已成功开发出应用于大型河工模型表面流场测量的粒子示踪测速
系统：清华大学研制的DPTV系统、中国科学院力学研究所研制的DPIV系统等。
DPIV系统的核心是对流动图像进行处理，得到示踪粒子代表的流体的速度，这一过程称为速度提取。
速度提取一般采用互相关算法和二次傅立叶变换[7，8，9]进行，需优良的硬件设备(运算速度高的计算机和浮点运算加速器件)才能满足实时测量的要求。
本文考虑到河工模型中示踪粒子的分布特点
以及自然光照明的条件等，采用了三种改进的速度提取算法，缩短了速度提取时间，在普通Pentium系列微机由软件实现河工模型
试验流场一定分辨率下的实时测量。
1 系统的结构原理及工作参数如图1所示，
用于河工模型试验表面流场测量的DPIV系统包括一台微型计算机、图像卡、CCD摄像机、软件以及其它的监视设备。
利用自然光或灯光照明，不需特定光源。
位于模型上方的单台摄像机可以覆盖10m2～30m2左右的区域，系统可配置三十台工业CCD摄像机，对河工模型几百平分米至上千平方米的流
动区域进行测量。
在河工模型试验中，定常流动和非定常流动对多台CCD摄像机信号的同步性要求不同。
对于定常流动，则通过计算机同时选中所有图像卡上的第一个摄像机进行图像采集，采集完成之后，再切换到各个图像卡上的下一个摄像机，直到所有摄像机均完成采集，这样不同图像卡上相对应的摄像机得到的信号是基本同步的(仅相差计算机的几条指令所用的时间)，同一图像卡上各个摄像机得到的信号两两之间相差一个固定的时
间(两帧图像所用时间、CCD切换时间、等待帧同步时间与软件选择的延时时间之和)，
这个时间在～左右，而对于同步性要求高的非定常流动，则利用图像卡的一些特殊功能(如RGB分色输入，信号转化同步进行等)使同一图像卡上的各个摄像机信号保持完全
同步。
若镜头为理想镜头，且CCD摄像机轴线垂直于被测量平面，边缘与中心拥有相同的缩放倍率，不会产生失真；若CCD镜头轴线与被测量平面不垂直，会导致梯形失真，严重失真时需调整CCD摄像机的角度，轻度的失真则利用软件调整不同区域的缩
放倍率；一般的镜头并非理想镜头，可能导致枕形失真、梯形失真等，严重时图形扭曲，增大测量系统的误差，为了克服CCD像机导致的失真，系统在使用前对每个CCD与镜头进行了搭配检验，保证水平线和竖直线在几个易产生失真的特定位置(中心和边缘)的
误差均不超过一个像素；并且软件中配备了图像修正模块，利用栅格进行检验，修正由镜头造成的失真，若图像出现严重的扭曲变形，则通过更换镜头的办法予以解决。
系统采用了工业CCD作为图像摄取器件，因此性能受到CCD空间分辨率(768×576像素)
和时间分辨率(两*能参数，若需要测量更快的速度，则可能通过的场间隔，将可测量的速度范围提高到/s，若镜头覆盖的面积发生变化，则“测量的速度范围”和“示踪粒子尺寸”的变化将和覆盖区域的边长的变化
成正比。
6台～30台(32×32)、(48×48)、(64×64)、(96×96)/s～/s0s最高速～最低速
16mm96×96的判读区域：48～6400 64×64的判读区域：108～6400 48×48的判读区域：192～6400 32×32的判读区域：432～6400 软件实现＜(96×96像素)2 DPIV速度提取算法DPIV技术是利用CCD像机或扫描仪等直接得到记录粒子运动的图像序列，通过用相继两帧数字图像中相对应的小区域进
行速度提取，得到各个小区域上粒子平均位移的大小和方向，也就是小区域中心处的运动速度。
用img1(i,j)和img2(i,j)分别表示t0和t0+Δt时刻相继两帧数字图像中相对应的小区域，若判读区域的中心为(x,y)，判读区域的宽度为d，则i和j的取值范围为：i∈(x-d/2,x+d/2］,j∈(y-d/2,y+d/2］。