高頻響流場測試TR－PIV系統(tǒng)技術及其應用

陳建民，劉應征，魏潤杰

（1.上海交通大學動力機械與工程教育部重點實驗室，上海 200240；2.北京立方天地科技有限責任公司，北京100098）

0 引 言

近年來，基于高重復頻率激光器和高速相機的高頻響TR－PIV（Time－Resolved Particle Image Velocimetry）測試技術的出現(xiàn)為非定常流場的動態(tài)測試提供了一種高效的實驗工具，越來越受到實驗流體力學研究人員的關注。該技術被很好地應用于湍流結構演變的實驗研究［1－2］以及數值計算方法的驗證［3］。TR－PIV流場測試技術性能的提高在很大程度上與高速相機、激光器和計算機三大關鍵技術的提高緊密相關。

典型的高頻響流場測試TR－PIV系統(tǒng)一般采用可外接控制信號的高重復頻率激光器和高速高分辨率相機。然而，實驗瞬時過程中產生的大量數據圖像文件制約著實驗數據采集頻率和實驗時間。結合作者所在課題組近年來在高頻響流場測試TR－PIV系統(tǒng)的實踐經驗，對三種高速數據存儲技術進行了詳細介紹與分析，建立了基于PCI－E間接存儲技術的TR－PIV流場測試系統(tǒng)并利用該系統(tǒng)對低速循環(huán)水槽中自由來流方柱繞流場進行了長時間110Hz連續(xù)采樣，獲取了大尺度相干結構的時空演變特征。

1 高頻響流場測試TR－PIV系統(tǒng)技術分析

典型的TR－PIV系統(tǒng)采用可外接控制信號的高重復頻率激光器和高速高分辨率相機，并選用適合的高速數據存儲技術。在當前技術條件下，TR－PIV流場測試技術性能的提高在很大程度上與高速相機、激光器和計算機技術這三大關鍵技術密切相關。下面將針對這三大關鍵技術進行系統(tǒng)的技術分析。

1.1 激光器

高頻響流場測試TR－PIV系統(tǒng)需要有很高重復頻率的激光器，配合高速高分辨率相機保持同步工作以完成連續(xù)圖像的采集。脈沖Nd：YAG激光器由于能量輸出大，脈沖窄，常見于普通PIV實驗中，但其重復頻率較低，無法滿足高頻響TR－PIV系統(tǒng)的測試要求。Nd：YLF固體激光器因其脈沖能量及重復頻率較高，非常適合高頻響流場測試TR－PIV系統(tǒng)的應用場合［4］。然而，受當前技術條件所限，市場上能提供的激光器功率有限，激光器重復頻率越高，單脈沖能量將越低［5］；激光器脈沖能量不足則導致高速相機曝光不充分，使得示蹤粒子無法在高速相機芯片上清晰成像。對于大部分低速水流實驗而言，拍攝圖像間隔在ms級就可滿足要求，采用連續(xù)式半導體激光器完全配合高速相機可建立低成本的TR－PIV測試系統(tǒng)［6］。

1.2 高速相機

相對于CCD（Charge Coupled Device）芯片而言，CMOS（Complementary Metal－Oxide Semiconductor）相機有更高的像素讀取速度，其芯片的每個像素結構簡單，能耗低，整體價格也便宜。雖然CMOS相機拍攝的圖片質量在高分辨率領域尚無法與CCD相機媲美，暫時還無法完全取代CCD相機的地位，但對于高頻響流場測試TR－PIV系統(tǒng)來說，在實驗拍攝圖片質量允許的情況下一般推薦CMOS高速相機［7］。商業(yè)上用于PIV實驗的高速CMOS相機在Mpixel下最高幀率已超過7500幀／s，如Photron公司的FASTCAM SA5高速相機在512pixel×512pixel下，該高速相機的幀率甚至達到了25000幀／s，已基本滿足大多數流場非定常研究的需要。

1.3 高速數據存儲技術

TR－PIV測試系統(tǒng)中的激光器和高速相機等都能從市場上采購得到。然而，受目前總線傳輸速率及計算機硬盤寫入速度的限制（單硬盤數據傳輸速率一般為10～20MB／s），對于如何實時高速傳輸和存儲實驗過程中所產生的大量數據圖像，目前尚無比較完善的解決方案。以下將介紹作者課題組所采用和建立的3種高速數據存儲技術。

（a）高速相機內存存儲技術。采用這種技術進行實驗測量時，高速相機首先將圖像通過MCDL（Multi－Channel Data Link）存儲到高速相機自帶內存中，待實驗結束后再轉存入計算機硬盤進行處理。這種高速數據存儲技術適用于那些對拍攝區(qū)域空間分辨率和時間分辨率都有很高要求的場合。這種情況下，系統(tǒng)單位時間采集的數據圖像量過大以至于在現(xiàn)有技術條件下，一般傳輸總線均無法滿足要求；采集的圖像直接存儲到高速相機內存中，避開了數據傳輸總線及硬盤傳輸速度的限制，從而可以實現(xiàn)很高的圖像采集速率。然而，高速相機專用內存相當昂貴；受其內存容量的限制，實驗時連續(xù)可拍攝時間也很有限。萬津津等［8］利用采用該技術的TR－PIV系統(tǒng)對低速水槽中貼壁方柱湍流場進行了實驗研究。

（b）磁盤陣列直接存儲技術。傳統(tǒng)的硬盤直接存儲方式受到傳輸總線特別是硬盤文件寫入速度的限制。采用磁盤陣列系統(tǒng)可以成倍提高圖像文件的寫入速度。余俊等［6］利用空間分辨率和時間分辨率相對較低的CCD高速相機配合磁盤陣列系統(tǒng)進行了這方面的嘗試，取得了較好的效果。采用磁盤陣列系統(tǒng)在實驗分辨率要求不高，流場速度和特征頻率比較低時可以實現(xiàn)TR－PIV測試系統(tǒng)的不間斷連續(xù)采樣。這種方式實現(xiàn)簡單，成本也不高。然而，受限于目前硬盤寫入速度，即便采用磁盤陣列系統(tǒng)仍不能達到令人滿意的數據傳輸速度。隨著計算機技術的發(fā)展，已有人提出使用光纖接口的固態(tài)磁盤陣列模式，可大大提高數據傳輸速率。由于目前固態(tài)硬盤存在容量小、價格高、安全性較差等缺點尚未得到普遍應用。

（c）PCI－E間接存儲技術。該技術采用了最新的PCI－E接口技術，帶寬達到了2GB／s，結合Cam－Link技術，可保證高分辨率數字圖像的高速傳輸?？紤]到計算機硬盤傳輸速度的限制，該技術將采集到的圖像首先存儲到計算機內存中，實驗結束后再轉存到計算機硬盤里。

作者所在課題組最近采用該技術建立了一套TR－PIV測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用高速相機為CAMMC1362，分辨率為1280pixel×1024pixel，全畫幅最高拍攝頻率為500幀／s，系統(tǒng)配置700MB／s的圖像采集卡及PCI－E×4總線，與之配合的工作站為HP Z800，計算機內存為96GB。在最高分辨率下，單張圖像文件大小約為1.3MB，在此分辨率下全畫幅最高拍攝頻率500幀／s，系統(tǒng)需要的存儲帶寬約為660MB。實驗過程中，高速相機采集到的數據圖像通過CamLink Full（700MB／s）和CamLink Base（200MB／s）雙通道傳輸到圖像采集卡（700MB／s），圖像采集卡再通過PCI－E4總線（2GB／s）將數據圖像傳輸到計算機內存中，實驗結束后再將圖像從內存轉存到計算機硬盤中。顯然，該系統(tǒng)傳輸帶寬能夠滿足數據圖像傳輸要求。實際操作中，劃分了90GB計算機內存給圖像存儲。當高速相機以全幀滿分辨率運行時，可支持系統(tǒng)連續(xù)采集圖像超過2min。當研究流場流速比較低，對高速相機采集頻率要求不高時，則可增加連續(xù)采集時間。該系統(tǒng)最大數據傳輸帶寬為700MB／s，與高速相機內存存儲技術（2GB／s甚至更高）相比，雖其系統(tǒng)帶寬較低，但在滿足實驗要求條件下性價比更高。相對于磁盤陣列存儲技術，該系統(tǒng)對計算機性能要求更高。然而，這種數據存儲技術也有其不足之處，數據在內存中缺乏斷電保護則更容易發(fā)生丟幀現(xiàn)象。

隨著計算機技術、圖像處理技術等的快速發(fā)展，已有研究人員提出采用專用高速采集卡，配合32塊光纖接口固態(tài)磁盤陣列，不經計算機內存可將采集到的圖像數據直接通過寫入到計算機硬盤中，為TRPIV高速數據存儲技術提供了另一個發(fā)展方向。

2 實驗應用

2.1 實驗裝置和技術

實驗所用的低速循環(huán)水槽及其詳細參數參見文獻［8］。水槽測試段長1050mm，展向寬150mm，液位高H＝200mm。實驗方柱截面邊長15mm，展向長150mm，實驗時固定在水槽測試段液位中間位置附近。自由來流速度v＝0.09m／s，雷諾數Re＝1350。

實驗采用基于PCI－E間接存儲技術的TR－PIV測試系統(tǒng)對方柱下游區(qū)域進行圖像采集。實驗中，在滿足測量要求的情況下，采集速率設置為110幀／s，采集窗口大小設置為1280pixel×1024pixel。照明光源采用功率為2W的半導體連續(xù)式激光器（波長為532nm），測試區(qū)激光片光厚度小于1mm，示蹤粒子采用密度為1.03g／mm3的空心玻璃珠，粒徑為20～ 30μm。實驗總共拍攝了52000幅圖像，對圖像序列中的相鄰圖像進行互相關分析可獲得瞬態(tài)速度全場?；ハ嚓P計算判讀窗口大小為32pixel×32pixel，相鄰窗口重疊率50%。PIV互相關圖像分析采用北京立方天地科技有限公司提供的MircroVec軟件，該軟件采用圖像偏置［9］及迭代算法，同時對速度梯度比較大的區(qū)域，采用窗口變形技術，系統(tǒng)計算誤差小于1%。在圖像分析時，采用亞像素擬合［10］，位移計算結果精度可以達到±0.1pixel。

圖1 實驗測量區(qū)域示意圖Fig.1 Schematic diagram of the measurement region

2.2 實驗結果和分析

在方柱下游與方柱上沿平行的高度上，對繞流尾跡x／D＝0.25處（見圖1）單點法向脈動速度分量的時序信號進行頻譜分析，得到該處的功率譜曲線如圖2所示。對譜線進行分析，可知在f＝0.75Hz（即St＝0.125）處，功率譜曲線出現(xiàn)峰值，該頻率即為大尺度相干結構的脫離頻率。

圖2 脈動速度場的功率譜Fig.2 The auto－spectrum of fluctuating velocity component

為了分析各種旋渦結構的空間－時間特性，筆者對法向脈動速度進行了時空相關分析。在使用法向脈動速度信號做互相關之前，對信號進行了小波降噪處理。這里選用bior5.5小波函數進行5層分解。通過降噪可以最大限度地保留原始信號中所關心的低頻部分而剔除高頻部分。然后以x／D＝4，y／D＝0為參考點計算了法向脈動速度在不同時間和不同位置時的互相關系數。圖3所示即法向脈動速度互相關系數。從圖3中可以明顯看到多條明暗相間的條紋等間距分布，這個特征清晰地說明了當地流動中有旋渦結構不斷向下游輸運。對條紋的分布特征進行計算，可以推斷大尺度相干結構在方柱尾跡中的輸運速度Uc＝0.43U0。

圖3 法向脈動速度時空相關分析Fig.3 Cross－correlation of velocity fluctuations

為了進一步分析方柱繞流尾跡中大尺度旋渦脫離情況，通過相位平均方法去除實驗數據中非相干部分，得到所關心的大尺度相干部分［11］。選取了2000個連續(xù)瞬態(tài)速度場并以其中第一個為參考速度場和所有1999個速度場做全場互相關運算［12］，得到的參考信號如圖4（a）所示。圖4（b）為提取每一幅瞬態(tài)速度場x／D＝4，y／D＝0處的速度矢量v分量得到的一列沿時間序列信號。對比兩列信號曲線可以看出互相關系數信號呈明顯的周期分布，且該周期分布頻率與法向速度脈動頻率一致。

以全場互相關系數作為相位識別信號，對2000幅速度場結果進行了相位平均處理，一共提取出8個相位，分別為0～7／8T，如圖5所示。由圖5可以比較清晰地看出旋渦交替脫落并向下游輸送從而形成卡門渦街的整個過程。

圖4 互相關系數和單點速度信號Fig.4 Cross－correlation coefficients and single point velocity signal

圖5 相位平均速度場Fig.5 Phased averaged velocity field

3 結 論

筆者系統(tǒng)地分析了高頻響流場測試TR－PIV系統(tǒng)的三大關鍵技術，即高速相機、高頻響激光器及高速數據存儲技術。結合TR－PIV實驗系統(tǒng)要求，對商業(yè)高速相機和高頻響激光器技術的現(xiàn)狀進行了介紹和分析。此外，TR－PIV實驗過程中產生的大量數據圖像文件對實驗系統(tǒng)數據傳輸帶寬的高要求，制約著實驗數據采集頻率和總實驗時間兩個參數。結合作者所在課題組近年來在高頻響流場測試TR－PIV系統(tǒng)的實踐經驗，對3種高速數據存儲技術進行了詳細的技術介紹與對比分析。建立了基于PCI－E間接存儲技術的TR－PIV流場測試系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)對低速水槽中自由來流方柱繞流場進行了長時間連續(xù)采樣，采樣頻率110Hz。對法向速度分量信號所進行的FFT分析以及互相關分析清晰地獲取了旋渦結構的變化特征。該研究結果對于集成建立高頻響TRPIV測試系統(tǒng)及其應用推廣具有較好的指導意義。

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