PIV 技術(shù)在復(fù)雜二相流場中的應(yīng)用

王波蘭，宗 昕，顧蘊松

(1. 上海機電工程研究所，上海 201100； 2. 南京航空航天大學(xué)，南京 210016)

0 引 言

光學(xué)元器件隨飛行器在大氣中飛行時，其工作性能越來越多地受到大氣懸浮匯聚微粒的影響。目前，國內(nèi)環(huán)境機構(gòu)對于大氣環(huán)境中顆粒物匯集的研究［1-3］更多側(cè)重于常規(guī)條件下地域性、周期性的大氣特性統(tǒng)計量的收集、整理；然而飛行器在自然環(huán)境中高速運動，其周圍流場旋渦變化復(fù)雜，大氣微粒在這樣的復(fù)雜流場中呈現(xiàn)何種運動匯聚效應(yīng)，對于合理準(zhǔn)確評估機載/彈上光學(xué)元器件的工作效能具有十分重要的工程意義。實現(xiàn)對復(fù)雜二相流場中微粒分布特性的準(zhǔn)確預(yù)估，才能夠更有效地指導(dǎo)總體設(shè)計工作。

由于高速氣動流場模擬本身就具有很大的難度，無論是地面風(fēng)洞試驗或者數(shù)值仿真都不能很全面再現(xiàn)實際飛行中的外部環(huán)境特性；而且對于大氣環(huán)境中的顆粒分布特性進(jìn)行實時測量也是環(huán)境研究中的難題，傳統(tǒng)的環(huán)境研究儀器也很難滿足試驗要求。綜上所述，結(jié)合氣動復(fù)雜流場的大氣粒子分布研究具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，目前國內(nèi)外公開發(fā)表的文獻(xiàn)中也鮮有此類報道。

粒子圖像測速技術(shù)( PIV) 是在流動顯示的基礎(chǔ)上，充分吸收現(xiàn)代計算機技術(shù)、光學(xué)技術(shù)以及圖像分析技術(shù)的研究成果而成長起來的最新流動測試手段［4-7］。PIV 不僅能顯示流場流動的直觀形態(tài)，而且能夠提供瞬時全場流動的定量信息，使流動可視化研究產(chǎn)生從定性到定量的飛躍，是目前空氣動力學(xué)風(fēng)洞試驗中技術(shù)最先進(jìn)、應(yīng)用最廣泛的試驗手段之一。

作者在測量舵面翼梢脫落旋渦特性的基礎(chǔ)上［7-13］，創(chuàng)新地利用PIV 拍攝到的瞬態(tài)粒子原始散射圖像，結(jié)合MATLAB 圖像后處理技術(shù)，對原始粒子圖像進(jìn)行互相關(guān)、二值化處理，通過對圖像區(qū)域內(nèi)的灰度值計算，統(tǒng)計相對流場截面內(nèi)的粒子濃度系數(shù)，得到在復(fù)雜旋渦結(jié)構(gòu)流場內(nèi)瞬態(tài)粒子的分布特性規(guī)律。

1 激光粒子圖像測量

1.1 激光光路參數(shù)設(shè)計

PIV 基本設(shè)備構(gòu)成如圖1 所示，實驗采用的PIV測試系統(tǒng)由美國TSI 公司生產(chǎn)。激光器作為主要元器件，采用Newwave 公司的雙脈沖Nd： YAG 激光器提供微粒子散射所需能量，脈沖激光波長532nm，采用光學(xué)元件將脈沖激光光束轉(zhuǎn)為片光，照射測試流場區(qū)域中的示蹤粒子，通過對撒播粒子的流場連續(xù)兩次曝光，用CCD 相機記錄下兩次曝光的粒子圖像。

CCD 數(shù)字相機型號為TSI 公司的PIVCAM10-30，分辨率為1024 ×1376pixel，雙幀頻為15fps，它的特點是應(yīng)用了Interline 技術(shù)使得兩幀間的間隔可以小于1μs。

圖1 PIV 設(shè)備基本構(gòu)成Fig.1 The components of PIV equipment

圖2 光學(xué)組件Fig.2 Optical components

圖3 激光片光Fig.3 The sheet of laser

激光源采用脈沖式發(fā)射，點源激光通過圓柱形透鏡，柱形透鏡將激光束在垂直柱形透鏡體軸方向上展開形成片光，如圖2； 由于激光片光厚度影響測試精度，在圓柱透鏡后采用球形透鏡為第二透鏡用于控制產(chǎn)生的激光片光源的厚度。通過分別改變柱形透鏡和球形透鏡的焦距，可以得到不同片光源擴散角。本文選用了由柱面鏡( FL =-25.4mm) 和球面鏡( FL =500mm) 組成的光學(xué)組件，將脈沖激光束變?yōu)橛幸欢〝U張角的片光，使在所測的流場區(qū)域片光厚度最薄( ＜1mm) ，具有較高的能量分布特性，如圖3。

圖4 激光脈沖時序配合圖Fig.4 Timing sequence of laser pulse

如圖4 所示，兩個脈沖激光片光之間的時間是可調(diào)的，通過調(diào)整脈沖時間間隔可以對具有不同流速的流場進(jìn)行選擇性測量，確保測試精度。Laser Pulse 同步器是為PIV 設(shè)計的可編程延遲的脈沖發(fā)生器，可以同步控制激光脈沖，觸發(fā)CCD 相機的快門，圖像傳送。計算機通過RS-232 接口控制同步器的觸發(fā)時序，從而控制整個實驗中的硬件工作時序。

1.2 互相關(guān)算法處理

對激光圖像進(jìn)行數(shù)值分析處理，互相關(guān)算法如圖5，通過圖像上像素點進(jìn)行坐標(biāo)定位，設(shè)定查問閾大小為16 ×16pixel，在此查問閾下進(jìn)行互相關(guān)處理，得到峰值點位置，測量出峰值點粒子圖像在已知時間Δt內(nèi)的位移ΔX、ΔY，從而求出該點的速度，依次可得到測試流場的速度場。

圖5 互相關(guān)算法示意圖Fig.5 Schematic plot of cross-correlation

1.3 激光粒子圖像結(jié)果

實驗在南京航空航天大學(xué)低速風(fēng)洞中進(jìn)行，通過矩形舵偏角產(chǎn)生翼尖強旋渦，舵面弦長60mm，展長90mm；同時在風(fēng)洞測試段上游添加示蹤粒子( 示蹤粒子由甘油三脂揮發(fā)，直徑20 ～100μm) ，旋渦裹挾粒子一起向下游運動； 在激光片光的照射下，粒子通過米氏散射原理向沿縱軸布置的CCD 高速相機散射光強，相機捕捉到原始圖片進(jìn)行圖像處理輸出。

舵面偏角為10°、15°，CCD 相機拍攝截面距離矩形舵面后緣分別為1.0d、2.4d、3.0d( d 為舵面弦長，d=60mm) ； 風(fēng)洞來流速度V =30m/s，雷諾數(shù)Re =15000。針對激光波長，采用532nm ±2nm 帶通濾波鏡，截止外界其它雜散光源進(jìn)入視場，提高圖像信噪比。原始圖像經(jīng)過數(shù)據(jù)處理呈黑底白點粒子散布圖。

在上述試驗狀態(tài)下，CCD 相機拍攝到的舵面旋渦各截面內(nèi)激光粒子圖像如圖6 所示：

圖6 原始激光粒子圖像Fig.6 The original pictures of PIV

通過上述原始激光測試手段，可以清晰捕捉到空氣中粒子在舵面旋渦流場作用下的分布形式：隨著舵面在來流方向產(chǎn)生一個迎角，由于舵面上下氣流形成壓力差，下表面氣流翻卷至上表面，形成典型“翼尖旋渦”效應(yīng)，大氣粒子在旋渦中隨著流體高速螺旋運動，部分粒子被甩出旋渦渦核中心，在外圍達(dá)到平衡、集聚，形成如上圖所示的粒子“空洞效果”。

2 MATLAB 圖像處理

2.1 粒子圖像二值化

為有效地統(tǒng)計大氣粒子在流場截面內(nèi)的具體分布情況，考慮對原始圖像進(jìn)行數(shù)字處理。定義矩陣表示平面坐標(biāo)系上和灰度上都已離散化的圖像數(shù)據(jù)，矩陣的行號i 和列號j 分別表示像素的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，矩陣的相應(yīng)元素值則表示該像素的灰度值A(chǔ)( i，j) 。

在得到A 矩陣基礎(chǔ)上，對圖片中每一個像素的灰度值進(jìn)行二值分類，用新的矩陣B( i，j) 儲存分類后的數(shù)值。首先，設(shè)定一個灰度閾值為Y，當(dāng)該像素的灰度值不等于Y 時，該像素的灰度值設(shè)為0，當(dāng)該像素灰度值等于Y，該像素灰度值設(shè)為1。用公式表示為：

激光粒子圖像是一個大小為1024 ×1376 像素的二維矩陣A( i，j) ，而每一個像素的灰度值范圍為0 ～4095。因此，可以通過Matlab 對測量結(jié)果圖片進(jìn)行讀取和操作，可以更直觀有效地反映流場中的流動狀況。

二值化后粒子圖像三維分布云圖7 所示。

圖7 二值化后粒子分布三維圖Fig.7 Three-dimensional pictures of distributing particulate after image binaryzation

由處理后的的三維粒子分布圖可以得到，粒子分布在旋渦中心區(qū)域是呈中空狀的，旋渦核心粒子含量極低；在渦核外圍，有一圈粒子集中帶，這是因為中心旋渦區(qū)域粒子由于離心力作用被甩出分布在渦核周圍，造成在渦核中空區(qū)域外的“粒子集聚帶”。

2.2 渦核粒子濃度分布統(tǒng)計

本文對α=10°迎角狀態(tài)下，L =1.0d、2.4d、3.0d 3 個截面的圖片都進(jìn)行了二值化處理，在經(jīng)過二值化處理得到的矩陣B( i，j) 中，選取旋渦附近400 ×400像素的矩形區(qū)域作為查詢區(qū)。并以旋渦中心為原點，劃出一個半徑為200 像素的圓形區(qū)域進(jìn)行粒子濃度分布統(tǒng)計。將半徑為200 像素的圓形區(qū)域劃分為10個圓環(huán)，每個圓環(huán)的寬度為20 像素，共有10 個圓環(huán)區(qū)域。圖中黑色部分為渦核，外部亮點代表粒子。查詢區(qū)及劃分后的圖片如圖8 所示。

圖8 中，圓環(huán)徑向距離為R，R 的取值范圍為0 ～200 像素，為了能表示圓環(huán)內(nèi)粒子濃度的分布情況，定義C 為圓環(huán)區(qū)域內(nèi)粒子濃度系數(shù)( C =圓環(huán)內(nèi)單位像素粒子數(shù)/視場中單位像素粒子數(shù)) 。C 越大，表明該區(qū)域內(nèi)粒子越集中，C 越小，表明該區(qū)域內(nèi)粒子越分散，則C-R 曲線圖可以表示渦核周圍粒子濃度沿徑向的變化情況。

圖9 所示為舵面無迎角情況下PIV 拍攝到的舵面原始流場圖像及粒子濃度系數(shù)沿經(jīng)向的分布情況。選取舵面偏角為10°狀態(tài)，距離矩形舵面后緣分別為1.0d，2.4d，3.0d( d 為舵面弦長，d=60mm) 的3 個截面，進(jìn)行圖像二值化，提取得到粒子濃度分布規(guī)律，如圖10 所示。

圖8 PIV 二值化處理查詢區(qū)及旋渦圓環(huán)劃分區(qū)域Fig.8 Inquired zone after image binaryzation

圖9 自由流場中，二值化圖像及粒子濃度分布Fig.9 The picture of distributing particulate after image binaryzation in free flow

圖10 舵面后方3 個截面內(nèi)粒子濃度分布圖像Fig.10 The picutres of distributing particulate in three sections after the rudder

圖中橫坐標(biāo)表示距離旋渦中心的距離，單位為像素，縱坐標(biāo)表示在圖8 中查詢區(qū)域中定義的單位像素灰度系數(shù)，由于粒子對激光呈米氏散射，當(dāng)劃分區(qū)域內(nèi)單位像素灰度系數(shù)較大，則表明這一區(qū)域內(nèi)粒子濃度較大。由上左圖中所示，隨著拍攝截面與舵梢間的距離增大，旋渦的半徑略有變大，這是旋渦在流體粘性應(yīng)力作用下，開始出現(xiàn)擴散狀態(tài)的表現(xiàn)。二值處理后，剔除圖像中不必要的雜點，粒子在渦核周圍出現(xiàn)的聚集效應(yīng)十分明顯。自由來流條件下，均勻流場中，無量綱粒子濃度系數(shù)為Cmax=0.44。

當(dāng)舵面產(chǎn)生迎角后，旋渦流場中粒子在渦核外圍集中匯聚，此時的粒子濃度系數(shù)增大，隨著拍攝截面距離舵面后緣距離的變化，濃度系數(shù)也會發(fā)生一定的變化，這一變化是舵面后緣分離渦與翼尖旋渦摻混效果相互影響所致。當(dāng)舵面迎角α=10°時，L=1.0d 截面內(nèi)，Cmax=2.7； L =2.4d，Cmax=1.5，當(dāng)L =3.0d 時粒子的濃度系數(shù)上升至Cmax=5.85，此時粒子匯聚程度為自由流場的13.3 倍，在所測試截面中，粒子匯聚程度達(dá)到最高。

3 結(jié) 論

(1) 本文采用激光粒子圖像技術(shù)，利用大氣中微粒在激光片光下的米氏散射原理，可以有效拍攝到復(fù)雜流場結(jié)構(gòu)下粒子光學(xué)散射及分布的特性圖像，解決了傳統(tǒng)環(huán)境測試設(shè)備無法對復(fù)雜條件下流場內(nèi)粒子分布進(jìn)行實時測量的缺陷。

(2) 通過建立MATLAB 算法對激光粒子圖像進(jìn)行二次處理，得到二值化后粒子分布的清晰圖像，圖像直觀表明大氣粒子在舵面旋渦渦核邊緣產(chǎn)生明顯的積聚效應(yīng)，渦核中心粒子呈“空洞”狀態(tài)。

(3) 舵面迎角10°時，在距離舵面后緣不同距離的截面處，都可以看到大氣粒子匯聚形成的激光散射亮帶；截面中無量綱最高粒子濃度系數(shù)為5.85，相對于自由來流條件下，粒子濃度提高13.3 倍；濃度提高的倍數(shù)受粒子所處截面位置、當(dāng)?shù)囟婷嬗堑纫蛩赜绊憽?/p>

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