利用流动成像技术同步测量湍流与颗粒运动学

摘要

本文所述技术提供了一种低成本且相对简单的方法，可同时测量低颗粒浓度流动中的颗粒运动学和湍流。湍流测量采用粒子图像测速技术（PIV），而颗粒运动学则通过高速相机在重叠视场内获取的图像进行计算。

摘要

科学和工程领域的许多问题都涉及理解湍流中颗粒的运动学特性，例如海洋中的污染物、海洋微生物和/或沉积物，或工程系统中的流化床反应器和燃烧过程。为了研究湍流对这些流动中颗粒运动学的影响，需要同时测量流体流动和颗粒运动学。目前已存在用于测量湍流或追踪颗粒的非侵入式光学流动测量技术，但由于不同技术之间可能产生干扰，同时进行测量仍具有挑战性。本文介绍的方法提供了一种成本较低且相对简单的手段，可实现流动与颗粒运动学的同步测量。通过粒子图像测速技术（PIV）测量流动的一个横截面，获得测量平面内的两个速度分量。该技术利用脉冲激光照射示踪粒子所标记的流动区域，并由数字相机成像。同时，使用发光二极管（LED）线光源对流动的一个平面横截面进行照明并成像，以获取颗粒的运动学信息，该照明区域与PIV的视场（FOV）重叠。线光源的功率足够低，不会影响PIV测量结果，但又足够强，能够照亮高速相机所成像的较大目标颗粒。含有PIV激光脉冲的高速图像可通过检查每幅高速图像的总强度水平轻松滤除。通过使高速相机的帧率与PIV相机的帧率不成整数倍关系，可最大限度减少高速时间序列中受污染的帧数。该方法适用于主流场主要为二维、所含颗粒粒径至少为PIV示踪粒子平均直径5倍以上、且浓度较低的流动条件。

引言

在科学和工程领域中，存在大量涉及粒子在湍流中行为的应用实例，例如大气中的气溶胶、工程系统中的污染物和/或沉积物，以及海洋中的海洋微生物或沉积物^1,2,3。在这些应用中，人们通常关注粒子如何响应湍流，这就需要对粒子的运动学和流体动力学进行同步测量。

现有的测量粒子运动的技术，称为粒子追踪（PT），可追踪单个粒子的运动轨迹，以及粒子图像测速的统计技术^4,5 （PIV）用于测量流速，均采用了非侵入式光学技术。利用这些非侵入式光学技术同时测量流场和颗粒运动学的主要挑战在于，每种成像技术需要独立的照明系统，且彼此之间不能干扰对方的测量精度。例如， 用于测量粒子运动学的照明光源不能对流体速度测量产生显著的噪声干扰，反之亦然。两组图像的对比度均需足够高，以获得可靠的结果。例如，粒子追踪（PT）图像需转换为黑白图像，以便进行斑点分析以确定粒子位置；因此，对比度过低会导致粒子位置判定错误。粒子图像测速（PIV）图像对比度不足则相当于信噪比过低，将导致流体速度估算不准确。

本文介绍了一种相对低成本且简单的同步测量颗粒运动学....

方案

注意：所有人员均须接受 4 类激光器的安全使用与操作，以及手动和电动工具的安全使用与操作方面的培训。

1. 实验装置

1. PIV 设置
   1. 设置双头激光器及光学系统。
      1. 将激光器放置在光学平台上。相对于实验装置底部（或相对于地面，若需使垂直速度与重力加速度方向对齐）调平激光器，并将激光束垂直对准待成像的二维平面中心。
      2. 通过将柱面透镜固定在光学平台上，将其置于激光束路径中。该透镜将激光束展成二维平面。成像二维平面的大小取决于透镜焦距及与待测区域的距离。调节透镜位置和距离，直至照明区域足够大以满足特定应用需求。
      3. 在柱面透镜与二维成像平面之间，将球面透镜放置于光学平台上。球面透镜与柱面透镜之间的距离以及球面透镜的焦距将决定所照明二维平面（光片）的厚度。调节该距离和透镜焦距，使光片厚度约为 0.5–1 mm。
   2. 定位 PIV 相机并进行初步校准。
      1. 为 PIV 相机安装镜头，开启 PIV 相机的自由/连续模式，并进行粗略对焦。调节 PIV 相机的光圈（f-stop），使成像传感器接收到足够的光量；该光圈设置在使用室内白光与激光照明时可能不同。
         1. 调节镜头和距离，使图像尺寸足以观察感兴趣区域。PIV 相机镜头的选择及其与光片之间的距离....

结果

实验装置的示意图如图1所示。该图展示了光源（LED和激光器）的布置方式、视场（FOV）之间的重叠区域，以及视场相对于振荡网格和水槽壁的位置。湍流和粒子的测量按照方案部分所述同时进行。图2展示了瞬时速度和涡量测量结果的示例，以及典型的粒子轨迹。PIV分析结果通过计算湍流脉动的均方根（RMS）进行评估。对于该振荡网格装置，PIV视场内RMS速度脉动的空间平均值大小应随网格频率的增加而增大，且两个速度分量均应呈现此趋势^7,15。若未获得此结果，则说明网格装置、PIV设置或PIV分析中存在错误，需重新进行实验。图3提供了不同网格频率下RMS速度脉动垂直剖面的示例，结果显示RMS湍流脉动随网格频率的增加而增大。

讨论

本文所述方法成本相对较低，提供了一种同时测量颗粒轨迹和湍流的简便方法，以研究流动对颗粒运动学的影响。值得注意的是，对于强烈三维的流动或颗粒运动，该技术并不适用。面外运动将导致二维追踪和PIV分析均产生误差¹⁷，因此应尽量减少此类运动。此外，该方法要求被追踪颗粒的浓度相对较低（每幅PT图像中约数十个颗粒）。这一限制至关重要，以最大程度确保在连续图像中追踪的是同一颗粒。若PT相机视场（FOV）内同时存在的颗粒过多，则可能导致轨迹计算不准确、轨迹过早终止，以及PIV图像分析误差增加。因此，该技术难以用于研究与颗粒絮凝相关的问题，因为此类研究通常需要较高的颗粒浓度。最后，该技术最适合追踪较大的颗粒（>50 µm）。被追踪颗粒与PIV示踪粒子（约10 µm）之间必须有足够的分离度，建议至少相差5倍。

在粒子追踪实验方案中，最关键的步骤包括校准、帧率的选择、图像中粒子的浓度以及确保高速图像具有高的信噪比。斑点分析需要将灰度图像转换为黑白图像，然后在此基础上计算粒子的运动轨迹。如果高速图像的对比度导致这种转换困难，则很可能产生轨迹误差，因为.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
光学透镜	CVI LASER OPTICS	Y2-1025-45, RCC-25.0-15.0-12.7-C, PLCC-25.4-515.1-UV	其他光学器件公司产品亦可接受。用于生成PIV光片的球面和柱面透镜。
PIV相机镜头	Nikon	Nikkor 105mm f/2D	其他相机镜头公司产品亦可接受。用于PIV成像的相机镜头。
高速相机镜头	Nikon	Nikkor 50mm f/1.8D	其他相机镜头公司产品亦可接受。用于高速成像的相机镜头。
双头脉冲激光器	Quantel	EverGreen: 532nm, 70mJ@15Hz	其他激光器公司产品亦可接受。用于PIV的双头脉冲激光器：Nd:YAG
LED线光源	Gardasoft Vision, Ltd.	VLX2 LED Line Lighting - Green - GAR-VLX2-250-LWD-G-T04	其他公司产品亦可接受。用于LED照明的线光源。
PIV示踪粒子/示踪剂	Potters Industries	SPHERICAL Hollow Glass Spheres: 11 mm 平均直径	其他公司产品亦可接受。PIV用示踪粒子。
CCD互相关相机	TSI, Inc.	POWERVIEW 11M: CCD, 双曝光, 4008x2672 像素 @ 4.2 Hz，12位动态范围	其他公司产品亦可接受。双曝光CCD相机，用于PIV成像。
高速相机	Photron	FASTCAM SA3; Model 60K: 1024x1024 像素 @ 1kHz	其他公司产品亦可接受。用于高速成像的CMOS相机。
同步器	TSI, Inc.	LASERPULSE SYNCHRONIZER 610036	其他公司产品亦可接受。用于同步PIV相机与激光器的采集。
标定靶板	TSI, Inc.		其他公司产品亦可接受。用于图像标定的精密靶板。