PIV应用中的一些主要问题.pptVIP

PIV应用中的主要问题及研究进展 王顺森 西安交通大学叶轮机械研究所 Tel: 029 E-mail: wss@stu.xjtu.edu.cn A 强反光区、 粒子密集区 B 粒子稀疏区 C 主流区 Thanks for your attention！ Xi’an Jiaotong University- Apr. 2007 PIV应用中的主要问题 常规PIV的互相关算法有三个假设 Δt 足够小 查问区尺寸足够小 粒子尺寸足够小 PIV的测量误差 在上述假设条件下的互相关算法误差分析 (1) σD粒子位移估计相对误差 dr 相关峰宽度，与插值函数和粒子在查问区内位移分布有关 D 粒子位移，应小于1/4查问区宽度 (2) PIV在应用中的主要问题 Δt 的限制 原因：D 值的大小取决于△t 硬件设备自身的限制，特别是对高速流动 误差及解决方案：目前对其误差研究较少，一般是通过调整其它参 数来满足△t 的基本要求 查问区尺寸的限制 原因：查问区宽度应不小于4D 示踪粒子浓度的限制 互相关算法的稳定性 误差：在大的查问区内将产生粒子位移分布误差 解决方案：图像变形、图像扭曲、图像重建等 粒子尺寸的限制 原因：激光光强的限制 峰锁误差，粒子图像应大于2pixel 粒子特性的限制 误差：选择大尺寸粒子将导致粒子运动无法体现流体运动的实际情 况，产生粒子滑移误差 解决方案：目前研究较少，一般都是要求选择尽可能合适的粒子 其它问题 近壁区流动中粒子分布不均匀和壁面反光问题 粒子添加对流场扰动问题 附1：粒子尺寸与粒子滑移速度 图3. 叶栅通道 图4. 不同位置的粒子速度与气流速度的比值 附2：粒子尺寸与粒子滑移速度 图5. 重力对示踪粒子的影响 附3：峰锁（peak locking） 图6. 粒子尺寸与峰锁的关系 图7. 近壁区流动示意图 附4：近壁区流动 图8. 图4流场的互相关处理结果 PIV技术的研究方向 1. 选择更小的D，通过互相关算法的改进来降低dr,从而提供 PIV的精度 2. 选择更小的粒子，研究更稳定的算法、减少峰锁影响 3. 通过其它方法修正粒子跟随性对PIV测量结果的影响 4. 改进措施消除壁面反光 粒子位移d是C值最大时的坐标(dx, dy)，即相关峰的位置，PIV基于这个位移得到速度矢量并将其赋予整个查问区。上述互相关算法相关峰位置的分辨率为1pixel，显然，这可能引起±0.5pixel的不确定性。 互相关算法 互相关图谱与峰值位移估计 为了提高粒子图像的信噪比，Fincham AM, Spedding GR (1997)采用归一化互相关算法，其相关函数可表示为： 其计算时间约为普通互相关 的5倍 计算两查问区窗口各像素位移（dx, dy）的相关强度更通用的算子是 当给定的查问区位移空间分布与实际位移场相同时，对应查问区能实现最大程度的匹配。实际上，PIV渴望得到的就是对应查问区最大程度匹配时的位移空间分布。 查问区内位移的空间分布，即速度分布能通过泰勒级数进行描述： (N2)12 (N2)6 (N2)2 计算花费 u, v, ux, uy, vx, vy, uxx, uxy, uyy, vxx, vxy, vyy u, v, ux, uy, vx, vy u, v 参数 12 6 2 参数数目 2 1 0 截断阶数p 目前常采用常规互相关分析获得u, v值的初步估计，然后将这个结果代入下面的方程，并进一步用互相关对查问区进行处理。 零阶图像匹配方法 增大查问面积一步直接相关法 查问窗偏移方法 相关峰亚像素插值与峰锁 引起峰锁的原因: 1.单个粒子图像小于2pixel 2.CCD的小填充比 3.插值函数 4.查问区边界 亚像素窗口偏移 用高斯相关峰拟合方法，Lecordier （1997）对于合成图相的计算结果表明，采用多步迭代亚像素窗口偏移时的位移估计精度在0.01pixel量级。 粒子图像亚像素插值 CCD拍摄的粒子图像中每个像素有一个灰度值，显然其光强分布是离散的。这无法满足PIV的亚像素查问要求，因此常常需要对一个连续的图像位移分布进行重采样以获得像素阵列间的图像强度。尽管计算花费很大，但高阶多项式是亚像素插值的首选格式 一阶图