两相流二维高频PIV系统研发

PIV测速是实验流体力学研究的重要手段，具有测量精度和采样频率高、不干扰流场等优势。本项目将研发一套二相流二维高频PIV系统，采用分辨率1280X1024的CMOS摄像机、采样频率1500帧/秒、感光度20000ISO，配f1.0光圈的镜头增加摄像机的进光率，改进摄像机接口以减少图像的畸变；研究连续激光片光源的光路，将扇形片光源汇聚成厚度为1mm的矩形光源，使可用能量提高10倍；论证摄像机曝光时间、光圈大小、感光度、片光源强度、图像噪声等参数与图像质量的相互关系，在不同的水流条件下试验选择各参数的最优组合。建造整体误差小于0.2mm的高精度实验水槽，以利于与经典的成果对比，论证开发PIV系统的可靠性；研制多功能测架，保证空间流速场测量的精确定位；自主开发专业软件，包括图像预处理、流场并行计算和紊动统计参数及相干结构的分析软件。研发系统的整体性能优于现进口的同类民用产品，价格为其80%。

湍流是自然界及工程中广泛存在的流动形态，对湍流的研究不仅有助于深入理解其动力学机理，也是进一步推动湍流统计理论研究进展的主要途径，即湍流研究是实验流体力学的重要内容。PIV测速是实验流体力学研究的重要手段，具有测量精度和采样频率高、不干扰流场等优势。.本项目研发的PIV系统，主要包括以下四个方面的研究。.1） 购买了两款摄像机：IDT-NR3S3-CMOS摄像机，分辨率12801024 Pixel、满帧频率2500fps、5.0 GB 内存；IDT-NR5S2-CMOS摄像机，2560192 0@ 730fps、 5.0 GB 内存；分别用于超高频（2500fps）和高分辨率（2560192 0）的精细测量。.2）通过凹凸柱面镜组合，将直径约5mm的高强度线光源扩展、汇聚成厚度为1mm、宽度5~100mm可调的矩形片光源，可用的有效能量提高了近10倍。.3）建造了一座整体误差小于0.2mm的高精度实验水槽，专门用于PIV的系统检测试验和论证开发PIV系统的可靠性。.4）自主开发了一套PIV流场专业计算软件，包括图像预处理、流场并行计算和紊动统计参数及相干结构的分析软件。关键技术为将多级网格迭代法及图像变形算法相结合，编写了多级窗口迭代的定网格图像变形算法，提高了PIV的测速范围及精度。.研发的PIV系统已初步形成产品，已销售2台。在本项目立项之初，国际上还没有同类的定型产品，近两年国外3大PIV提供商推出了相应的产品，由于本项目的产品在专业计算软件方面具有优势，重庆交通大学购买它先于美国TSI公司的产品。总体上看，本项目的产品与国外专业生产厂商的产品处于同等的技术水平，初步具有了市场竞争力，有望突破国外同类产品的垄断地位。.本项目的研发过程中培养了3名博士研究生并已获得了博士学位，在进行紊动流速场测量的系统研究中取得了很好的成果，已发表SCI论文5篇，EI论文5篇，获得国家授权发明专利1项。2014年7月参加第四届国际PIV挑战赛，在来自全球不同高校的20多个参赛队伍中，清华大学代表队的成果被归类为一类优秀成果，并作为典型成果在现场进行了展示。.基于相干现象的尺度划分、各尺度相干结构模型及其相互关系，建立了明渠紊流相干结构的统一物理模型，揭示出模型中的各尺度结构均具有合理的生成与维持机制，首次明确解释了明渠紊流中的主要相干现象。