Принцип PIV измерений

Введение

Цифровая трассерная визуализация (PIV) представляет собой методику для всего поля течения, которая обеспечивает измерение векторов мгновенных скоростей в поперечном сечении потока. Измеряются две компоненты скорости, но стереоскопический подход позволяет регистрировать все три компоненты скорости, что в результате дает информацию о пространственных векторах мгновенных скоростей для всей области.

Принципы

Вектора скоростей получаются из сегментов, на которые разбита целевая область потока, наполненного частицами, путем измерения перемещения частиц между двумя световыми импульсами:

Поток подсвечивается в целевой области световой плоскостью. 
Линза камеры создает изображение целевой области на матрице цифровой камеры. Камера способна запечатлевать каждый световой импульс в отдельных кадрах изображения.
Как только записана последовательность двух световых импульсов, изображения разбиваются на элементарные сегменты (IA). Элементарные сегменты из каждого кадра изображения I1 и I2 поэлементно взаимно коррелируют друг с другом.
Корреляция дает пик сигнала, определяющий общее смещение частицы DX. Точное измерение смещения, а вместе с тем и скорости, достигается за счет субпиксельной интерполяции.
Векторная карта скоростей всей целевой области получается путем повторения взаимной корреляции для каждой области запроса по двум кадра изображения, полученным с помощью камеры.
Корреляция двух элементарных сегментов I1 и I2 дает смещение частицы DX, представленное пиком сигнала в корреляции C(DX).
 
При записи обоих световых импульсов в одном кадре изображения для отслеживания движений частиц получается четкое визуальное представление о структуре потока. В потоках воздуха наполняющими частицами, как правило, являются капли масла размером в диапазоне от 1 до 5 мкм.
Для применений, связанных с водой, наполняющими частицами обычно являются сферы из полистирола, полиамида или полые стеклянные сферы размером в диапазоне от 5 до 100 мкм. Могут использоваться любые частицы, которые удовлетворительным образом повторяют траекторию потока и рассеивают достаточно света для регистрации камерой.
Число частиц в потоке имеет значение для получения хорошего пика сигнала при взаимной корреляции. Как показывает опыт, в каждой элементарной области должно быть получено от 10 до 25 изображений частиц.
При известном размере элементарной области, коэффициенте увеличении изображения и толщине световой плоскости можно определить измеряемый объем.
 

Пространственная разрешающая способность и динамический диапазон

При проведении измерения методом PIV боковая длина области опроса dIA и увеличение изображения s'/s сравниваются с размером структур потока, подлежащих определению. Одним из способов для выражения этого сравнения является установление требования о том, что градиент скорости в пределах элементарной области должен быть маленьким:

наибольшая измеримая скорость ограничена частицами, перемещающимися за пределы области опроса за промежуток времени Dt. В результате нарушается корреляция между двумя кадрами изображения и утрачивается информация о скорости. Как показывает опыт:

При известном размере элементарной области, увеличении изображения и толщине световой плоскости можно определить измеряемый объем.

Третья компонента скорости

В обычных системах PIV третья компонента скорости «не видна» из-за геометрии изображения. Данная третья компонента скорости может быть получена с помощью двух камер, используемых в стереоскопической схеме.

Экспериментальная установка для стереоскопических измерений методом PIV в потоке за моделью автомобиля.

Категория продукции:
Цифровая трассерная визуализация (PIV)