038一种全尺度流场测试新技术三维粒子成像测速系统.docVIP

一种全尺度流场测试新技术——三维粒子成像测速系统* 陈玖玖☆1，2 李先庭2 马晓钧2 邵晓亮2 1，北京市建筑设计研究院 2，清华大学 摘要 合理的气流组织对创造舒适健康的室内环境、节约空调能耗具有重要意义。本文介绍了一种适用于全尺度通风房间内流场测试的新型测速系统，此系统利用空间成像和视差原理，仅需两架相机可获得三个方向的速度分量，测试范围从传统PIV的一薄层拓展为三维空间。通过初步验证，表明此测速系统对于测量静态和动态物体的空间位置、长度和速度具有较高精度，能满足对通风房间内流场测试的需求。 关键词 流场测试；粒子成像测速；验证 引言 对通风房间而言，合理的气流组织不仅能有效地控制污染物浓度、保证空气品质，同时也是实现室内热湿环境的最终环节。通风的形式多种多样，从自然通风到机械通风，从传统的混合通风到置换通风和个性化送风等多种方式，其最终目的都是在室内形成合理的气流组织，保证室内环境的舒适健康。因此随着人们对室内空气品质和热舒适的广泛关注，通风房间内的气流组织也日益为人重视。研究通风房间内空气流动的特性和流场的分布情况将有助于指导通风空调的设计，是创造舒适健康室内环境的基础，对节约空调能耗也具有重要意义。 目前，计算流体力学CFD（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法在流场研究中大量应用，但是由于存在可靠性等问题而备受争议。而另一方面，实验测量有助于揭示空气流动的本质，进而可指导通风系统的设计，因此近年来通风房间内流场测试技术得到了迅猛发展。粒子成像测速（Particle Image Velocimetry ，PIV）即是其中一类新技术，它能在不干扰流场的前提下获得流场的瞬时速度分布，因而成为各国学者的研究热点[1-6]。但是目前现有的PIV系统对安装要求非常严格，且测试范围有限，因此其应用受到很大限制[2，7]。 本文将介绍一种新型流场测试技术——三维粒子成像测速系统（Volumetric Particle Tracking Velocimetry，VPTV），此测速系统只需两架普通视野的相机，且对Z方向的位置无特别的限制。与现有PIV技术相比，VPTV系统的安装得以简化，而测量范围则远远扩大，适合通风房间内全尺度流场的测试[7-9]。目前，清华大学已搭建成VPTV系统，并且进行了初步的测试和验证[10]。 VPTV的组成 VPTV由四大部件构成：粒子发生系统、照明系统、成像系统、图像和数据处理系统。 2.1 粒子发生系统 粒子发生系统的作用是产生和输送示踪粒子，从而将流场可视化。VPTV系统采用氦气充灌的肥皂泡作为示踪粒子，它具有和空气相近的密度、良好的悬浮性能和合适的粒径，能完全跟随气流运动，在不影响流场的前提下能折射照明光线而形成清晰的运动轨迹。 2.2 照明系统 照明系统的作用是为测试区域提供均匀的光照，将示踪粒子的运动轨迹从房间背景区分出来。相比传统PIV，VPTV的照明系统对光源要求大大降低，只需保证测试区域有均匀的光照和足够的光强，以获得清晰的示踪粒子运动轨迹即可。本系统采用白炽聚光灯作为光源。 2.3 成像系统 成像系统的作用是对流场内示踪粒子的运动轨迹成像。采用两台高分辨率的数码相机，其拍摄范围能覆盖整个测试区域。通过同步控制器，两台相机能同时开启快门，其曝光时间可以根据测试流速的不同进行调整。 2.4 图像和数据处理系统 图像和数据处理系统用于对成像系统获得的图像进行处理分析，提取示踪粒子运动轨迹的坐标、长度、角度等信息，在对相机进行标定的基础上，对数据进行处理、平滑及过滤异常数据，最终获得三维空间内流场分布。主要由高性能计算机和相关软件组成。 VPTV的测速原理 本文介绍的VPTV由美国伊利诺伊大学农业工程系研发，其测速原理来自于Sun等人的研究[7-9]。VPTV采用了立体成像技术，其原理类似于人的双眼视物。通过两个相机对示踪粒子成像，即可获得其运动轨迹。由于视差的影响，可以从每一个相机上分别获得含有速度分量信息的图像。由于第三个速度分量的存在以及两架相机放置位置的不同，这两幅图像之间必然存在差异，通过标定计算，即可获得第三个速度分量。通过对两架相机设定不同的曝光时间，可获得同一粒子的不同长度的运动轨迹，进而辨识速度方向。 3.1 VPTV系统构建 VPTV系统测速最关键的问题是构建示踪粒子运动轨迹在二维图片中的坐标与三维立体空间内实际坐标的关联。如图1所示的一般情况，房间的三维立体坐标系为，原点为；相机（i=1,2,…,n）的本地三维坐标系为，其轴线与相机透镜光轴一致，且透镜中心位于点（，，）；底片的二维坐标系为；最后成像的照片二维坐标系为。流场中某示踪粒子在房间坐标系中的坐标为（,,），其在第个相机的底片上的坐标为（,），在照片上的坐