圓柱尾流場的Tomo-PIV測量

許相輝, 蔣甲利, 牛中國, 寧繼鵬, 劉 捷

(中國航空工業(yè)空氣動力研究院 低速高雷諾數(shù)氣動力航空科技重點實驗室, 哈爾濱 150001)

圓柱尾流場的Tomo-PIV測量

許相輝*, 蔣甲利, 牛中國, 寧繼鵬, 劉 捷

(中國航空工業(yè)空氣動力研究院 低速高雷諾數(shù)氣動力航空科技重點實驗室, 哈爾濱 150001)

層析粒子圖像測速(Tomo-PIV)是一種先進(jìn)的光學(xué)測量技術(shù)，能夠定量獲取三維體視流場結(jié)構(gòu)，可作為諸如湍流、多渦系干擾等三維復(fù)雜流場的有效測量手段。為了實現(xiàn)該技術(shù)在風(fēng)洞模型測量中的應(yīng)用，研究了工程應(yīng)用和數(shù)據(jù)處理方法。在中航工業(yè)氣動院FL-5風(fēng)洞，選取12mm直徑的圓柱體作為試驗?zāi)Ｐ?，?yīng)用Tomo-PIV技術(shù)測量了圓柱三維尾流場，通過解決體光源引入、示蹤粒子投放和現(xiàn)場標(biāo)定等關(guān)鍵技術(shù)以及對數(shù)據(jù)處理方法的研究，成功獲得了圓柱體后方典型的三維卡門渦流場。測量區(qū)域約95mm×70mm×8.5mm，粒子圖像分辨率達(dá)到20 pixels/mm，包含數(shù)萬個速度矢量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了Tomo-PIV的風(fēng)洞試驗驗證。

光學(xué)測量；Tomo-PIV；圓柱尾流；流場測量；風(fēng)洞

0 引 言

粒子圖像測速技術(shù)(Particle Image Velocimetry，簡稱PIV技術(shù))最早出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代中期，是由固體力學(xué)中的測量二維平面內(nèi)形變的激光散斑測量技術(shù)引申發(fā)展而來，該技術(shù)是一種先進(jìn)的定量流場測量技術(shù)，它克服了熱線/激光多普勒測速只能測量單點的限制，可以快速準(zhǔn)確地一次測量出某一瞬間某個截面的空間流場，獲取幾千甚至上萬個點的速度，得到該截面流場的空間結(jié)構(gòu)和速度矢量場，PIV

技術(shù)既可測量定常流場又可測量非定常流場，尤其在測量非定常具有復(fù)雜時空結(jié)構(gòu)的流場時有著重要的作用，這些技術(shù)上的優(yōu)勢是其他技術(shù)無法比擬的[1-3]。

自PIV技術(shù)出現(xiàn)至今，已發(fā)展并細(xì)化出了很多技術(shù)分支，可以應(yīng)用于不同流場測量、甚至噪聲等測量領(lǐng)域，諸如2D PIV、Stereo-PIV、Micro-PIV、Time Resolved PIV、Tomo-PIV和Holo-PIV等，其中，Tomo-PIV技術(shù)(英文全稱Tomographic Particle Image Velocimetry，中文簡稱層析PIV)是近年來發(fā)展起來的一種新型的先進(jìn)PIV技術(shù)，區(qū)別于2D PIV(2D2C)和Stereo-PIV(2D3C)，該技術(shù)利用三維粒子圖像重構(gòu)、自標(biāo)定和體互相關(guān)算法等，可實現(xiàn)三維立體空間流場的定量測量(3D3C)，能夠應(yīng)用于如湍流、漩渦以及三維流體結(jié)構(gòu)的相互作用等方面的研究。

Tomo-PIV技術(shù)自出現(xiàn)以來，受到了國際上有關(guān)行業(yè)的廣泛關(guān)注，進(jìn)展迅速。隨著圖像處理、三維粒子圖像重構(gòu)等技術(shù)和CCD相機、激光器等硬件設(shè)備的發(fā)展，Tomo-PIV的測量精度和應(yīng)用技術(shù)能力也在不斷提升。以德國DLR和荷蘭Delft大學(xué)為代表，Tomo-PIV技術(shù)在國外研究較多，已實現(xiàn)了特定模型復(fù)雜三維體空間流場的定量測量，并開展了工程應(yīng)用研究：如G.E. Elsinga、F. Scarano和D. Michaelis等人應(yīng)用Tomo-PIV技術(shù)對圓柱尾流場進(jìn)行了試驗研究[4-6]；C. Atkinson與M. Stanislas等對低速平板湍流邊界層進(jìn)行了試驗研究[7]；J.M. Foucaut等利用Time Resolved Tomo-PIV在風(fēng)洞中進(jìn)行了湍流邊界層的測量研究[8]；F．Scarano等利用Time Resolved Tomo-PIV技術(shù)對2種噴嘴結(jié)構(gòu)(Circular和6-Chevron)的噴管出口射流場進(jìn)行了試驗研究[9]等，均取得了具有代表性的研究成果，DNW也將該技術(shù)作為未來PIV技術(shù)發(fā)展的一項重要研究內(nèi)容。在國內(nèi)，對Tomo-PIV技術(shù)的研究雖然起步較晚，但近幾年天津大學(xué)的姜楠、北京航空航天大學(xué)的高琪等學(xué)者的相關(guān)研究已取得了一些進(jìn)展。如唐湛棋、姜楠等[10]對應(yīng)用時間解析的Tomo-PIV技術(shù)在水洞中獲取的湍流邊界層流動的擬序結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析研究；賈永霞、姜楠等[11]針對同樣的數(shù)據(jù)研究了調(diào)制雷諾應(yīng)力分量和擬序結(jié)構(gòu)應(yīng)變率分量在擬序結(jié)構(gòu)猝發(fā)過程中的空間相位平均分布形態(tài)；高琪、王洪平等[12]通過自主研發(fā)的Tomo-PIV技術(shù)在有機玻璃水箱內(nèi)對低速合成射流進(jìn)行了實驗研究，觀測到了三維渦環(huán)結(jié)構(gòu)的時空演化過程。這些研究成果極大地促進(jìn)了國內(nèi)在Tomo-PIV技術(shù)本身及其技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，然而，在國內(nèi)風(fēng)洞中對Tomo-PIV技術(shù)的應(yīng)用研究還很少。

本文開展了Tomo-PIV技術(shù)在風(fēng)洞試驗中的應(yīng)用研究，其目的旨在通過對簡易模型的三維流場測量試驗，解決Tomo-PIV技術(shù)在風(fēng)洞環(huán)境下的相機采集系統(tǒng)布局、體光源引入、示蹤粒子投放和現(xiàn)場標(biāo)定方法等工程應(yīng)用技術(shù)，研究數(shù)據(jù)處理方法，為飛行器等模型的復(fù)雜三維空間流場的定量測量和分析技術(shù)研究奠定基礎(chǔ)。研究內(nèi)容主要是設(shè)計了12mm圓柱模型，在中航工業(yè)氣動院的FL-5風(fēng)洞，應(yīng)用Tomo-PIV技術(shù)對圓柱尾流場進(jìn)行了測量試驗研究，獲得了具有典型特征的三維空間尾流場數(shù)據(jù)，成功實現(xiàn)了Tomo-PIV技術(shù)的風(fēng)洞驗證，下文將介紹具體的技術(shù)實現(xiàn)方案、數(shù)據(jù)結(jié)果等內(nèi)容。

1 試驗技術(shù)與設(shè)備

1.1 Tomo-PIV技術(shù)簡介

作為一種真正的三維速度場測量技術(shù)，Tomo-PIV采用具有一定厚度的體光源照明一個待測量長方體空間，通常使用4臺及以上科學(xué)級跨幀CCD相機從不同方向記錄長方體內(nèi)的粒子圖像，粒子的速度信息由在順序2次曝光時刻重構(gòu)出來的粒子三維圖像的互相關(guān)處理得到，可以獲得高分辨率速度場，真正實現(xiàn)體空間內(nèi)的速度測量。

圖1為Tomo-PIV的工作原理示意圖[4]。測量區(qū)域(空間)中的示蹤粒子被高能量的脈沖激光源所形成的體光源照亮，與Stereo-PIV的雙相機結(jié)構(gòu)類似，粒子散射光被4個不同方位的CCD相機記錄下來，為使相機能夠聚焦于整個體照明區(qū)域，通常選用光圈F#相對較大的相機鏡頭，并使相機的像平面、

圖1 Tomo-PIV工作原理示意圖

鏡頭主平面和物平面滿足Scheimpflug條件，利用從CCD陣列獲得的三維光強分布重構(gòu)出三維粒子分布圖像(重構(gòu)過程通過MART算法[13-14]實現(xiàn))，其示蹤粒子的位移利用順序2次曝光得到的重構(gòu)粒子分布圖像通過三維互相關(guān)算法得到。

1.2 試驗設(shè)備與模型

(1) 風(fēng)洞：試驗在中國航空工業(yè)空氣動力研究院FL-5單回流式開口低速風(fēng)洞中完成。FL-5風(fēng)洞為圓形剖面試驗段，直徑1.5m，長1.95m，試驗段有效截面積1.766 25m2，空風(fēng)洞最大來流風(fēng)速V∞=53m/s，風(fēng)洞平均湍流度0.19%，試驗段軸向靜壓梯度0.005 5，風(fēng)洞落差系數(shù)1.0,如圖2所示。

圖2 FL-5風(fēng)洞

(2) Tomo-PIV測量系統(tǒng)：使用LaVision公司的Tomo-PIV產(chǎn)品，整套系統(tǒng)主要由4臺分辨率為4M的CCD相機、單脈沖能量為200 mJ的雙脈沖激光器、PIV系統(tǒng)控制器、三維標(biāo)定組件、體光源形成組件和示蹤粒子發(fā)生器等設(shè)備及Davis 8.1處理和分析軟件組成，具有2D PIV、Stereo-PIV和Tomo-PIV測量等功能。

(3) 試驗?zāi)Ｐ停涸囼炛袦y量對象為圓柱模型，不銹鋼材質(zhì)，直徑12mm，長1m，采用兩端支撐的方式固定于風(fēng)洞試驗段中央。

2 試驗方法

圖3為Tomo-PIV試驗方案示意圖，由激光器輸出的激光光束經(jīng)體光源形成裝置及可調(diào)光闌形成邊界規(guī)則的體狀光源后再以反射的方式射入測量區(qū)，由4臺CCD相機組成的采集系統(tǒng)通過光學(xué)導(dǎo)軌和支架安裝于風(fēng)洞試驗段上方，分別從不同方位進(jìn)行粒子圖像的記錄，通過系統(tǒng)控制器實現(xiàn)整套Tomo-PIV系統(tǒng)的同步控制和數(shù)據(jù)獲取，試驗風(fēng)速為V=15m/s，數(shù)據(jù)采集幀率7.227fps，相機采用85mm焦距的Nikor鏡頭，采集時光圈F#=11。

2.1 體光源引入

Tomo-PIV測量試驗中需要將激光通過專用裝置形成體狀光源，體光源的厚度和尺寸通過光學(xué)柱面鏡片組進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于激光光束的高斯分布特性，在測量區(qū)前端還需要通過可調(diào)光闌對體光源進(jìn)行邊界約束，使之銳利清晰，再利用安裝于風(fēng)洞試驗段底部的45°高能激光反射鏡將體光源引入測量區(qū)。

2.2 相機采集系統(tǒng)布局與標(biāo)定方案

相機采集系統(tǒng)由4臺CCD相機組成，為能夠獲得較好的粒子圖像強度，利用光學(xué)導(dǎo)軌將采集系統(tǒng)安裝于風(fēng)洞上方，使4相機均接收前向散射光，相機兩兩分別位于測量區(qū)厚度方向的兩側(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

采用雙平面三維標(biāo)定板進(jìn)行相機系統(tǒng)的標(biāo)定，標(biāo)定板通過安裝于風(fēng)洞試驗段上方的可調(diào)節(jié)支架固定，根據(jù)體光源的引入位置精細(xì)調(diào)節(jié)標(biāo)定板，因相機分別位于體光源厚度方向的兩側(cè)，故應(yīng)使標(biāo)定板中央剖面恰好處于體光源厚度方向(z向)的中央?yún)^(qū)域。圖4為相機系統(tǒng)和標(biāo)定板的安裝圖。

圖4 相機采集系統(tǒng)標(biāo)定

2.3 示蹤粒子的選擇與投放

在PIV試驗中示蹤粒子的選擇是十分重要的，一方面粒子要有一定的大小來增加光的散射,增強圖像對比度；另一方面粒子又要足夠小，以保證它具有

良好的跟隨性[15]，使粒子能真實地反映流體的流動，所以示蹤粒子的選擇是PIV試驗成功與否的關(guān)鍵之一。本期試驗中，選擇橄欖油作為示蹤粒子介質(zhì)，采用壓力霧化的方式在試驗段后方將粒子投放到風(fēng)洞中，粒子投放的濃度可通過供氣壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，方便控制，粒子流經(jīng)整個風(fēng)洞回路后進(jìn)入試驗段，這種方式可使粒子均勻布撒于測量區(qū)，且粒子投放裝置安裝于試驗段下游對模型干擾較小。此外，以橄欖油作為示蹤粒子比較環(huán)保，對人體無害，霧化后的粒子可在空氣中懸浮1h以上，粒子發(fā)生器噴嘴流量為0.7～1.3L/h，粒子粒徑為1～2μm，平均每次數(shù)據(jù)采集僅需要啟動發(fā)生器幾十s的時間，用量很小，對風(fēng)洞洞體幾乎沒有污染。

3 試驗結(jié)果與分析

本次Tomo-PIV測量試驗使用Davis 8.1采集與處理軟件，采用FastMART重構(gòu)算法以及直接體互相關(guān)算法計算得到模型尾跡的瞬時流場結(jié)構(gòu)，體查詢區(qū)選擇48×48×48voxels，重疊步長選擇75%，測量范圍約95mm×70mm×8.5mm，在順氣流方向上的尺度大約為圓柱直徑的8倍，粒子圖像的空間分辨率達(dá)到20pixels/mm，矢量密度約2points/mm，數(shù)據(jù)的后處理與顯示采用Tecplot軟件完成。

測量結(jié)果如圖5～7所示，給出了圓柱模型尾流場卡門渦的二維和三維結(jié)構(gòu)，測量位置為圓柱后方5mm之后。圖5顯示了4個不同時刻體測量區(qū)中間剖面位置的二維渦量結(jié)果，圖中可看到不同時刻旋渦的演化狀態(tài)，交替出現(xiàn)的紅色與紫色區(qū)域顯示了圓柱尾流上下方形成的具有一定規(guī)則的、交叉排列的渦列，并沿下游方向有擴散的趨勢，這與流體力學(xué)中圓柱尾跡卡門渦街的理論相一致。圖6給出了繞z軸的三維空間尾流場渦量等值面結(jié)果，圖中標(biāo)號1、3、5的渦量為順時針方向旋轉(zhuǎn)(負(fù)渦量)，2、4渦量為逆時針方向旋轉(zhuǎn)(正渦量)，從中可清晰地看到測量體空間內(nèi)的三維旋渦分布情況，圖中最右側(cè)邊緣出現(xiàn)的較雜亂渦量區(qū)是由于測量區(qū)邊界的粒子圖像強度較弱而導(dǎo)致的計算誤差。圖7為瞬時三維空間渦量場的交互分割顯示(斷層顯示)效果，表現(xiàn)了體測量區(qū)的絕對渦量場，可看到任意一個斷面上的流場分布情況。試驗表明，Tomo-PIV技術(shù)可獲得真正意義上的三維三分量的體視流場結(jié)構(gòu)，與常規(guī)的2D PIV或Stereo-PIV相比，所能夠獲得的數(shù)據(jù)信息量遠(yuǎn)大于后2者。

圖5 不同時刻某二維剖面的渦量圖

圖6 圓柱三維尾流場渦量等值面圖(繞z軸)

圖7 圓柱尾流的三維渦量場(斷層顯示)

4 結(jié) 論

本文應(yīng)用Tomo-PIV技術(shù)在FL-5風(fēng)洞對12mm直徑圓柱模型的尾流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測量試驗研究，獲得了體視三維空間流場測量結(jié)果，實現(xiàn)了Tomo-PIV技術(shù)的風(fēng)洞試驗驗證，為該技術(shù)在風(fēng)洞中的進(jìn)一步應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)，試驗中，測量體尺寸達(dá)到95mm×70mm×8.5mm，數(shù)據(jù)清晰地顯示了圓柱尾流卡門渦結(jié)構(gòu)，分辨率達(dá)到20pixels/mm，矢量密度約為2points/mm，相比常規(guī)PIV技術(shù)，獲得了更加豐富的體流場信息，該技術(shù)可為湍流、多渦系干擾等復(fù)雜三維流場的研究提供有效地測量手段。

但在實際工程應(yīng)用中，還有一些技術(shù)問題需要解決，比如，在測量距離模型較近的區(qū)域流場時如何避免或減少模型背景散射光對粒子圖像的干擾，抑制背景噪聲，以及如何通過數(shù)據(jù)后處理與分析技術(shù)在所得數(shù)據(jù)中提取更多有價值的信息等等都需要進(jìn)一步的研究。

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(編輯：楊 娟)

Measurements of cylinder’s wake by Tomo-PIV

Xu Xianghui*, Jiang Jiali, Niu Zhongguo, Ning Jipeng, Liu Jie

(Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Aerodynamics of Low Speed and High Reynolds Number, AVIC Aerodynamics Research Institute, Harbin 150001,China)

Tomographic particle image velocimetry (Tomo-PIV) is an advanced optical measurement technology, which can acquire three-dimensional three-components(3D3C) flow field structure quantitatively in a complete volume, and can be used as an effective method on turbulence, vortex interference and other complex three-dimensional flow field measurement. In order to achieve the measurement application of Tomo-PIV in the FL-5 wind tunnel with 1.5m diameter test section of AVIC Aerodynamics Research Institute, the wake of a cylinder with 12mm diameter is investigated by means of Tomo-PIV. The flow speed is 15m/s, the measurement volume is illuminated by a 2×200 mJ laser, and four 2048×2048 pixels CCD cameras with 85mm lens are used to record particles images from different directions. By solving a series of engineering problems, such as diffusion of particles and optical path design, we successfully obtained the Karman rollers flow structure of the cylinder’s wake. Then, we studied the method of the data processing. The measurement volume extends approximately over a region of 95mm×70mm×8.5mm with the shortest side in the direction of the depth of field, and the particle image spatial resolution is about 20 pixels/mm. There are tens of thousands of vectors recorded at every snapshot. We can obtain a lot of information about the flow field by Tomo-PIV, much more than that obtained by 2D PIV or stereo-PIV measurement.

optical measurement;Tomo-PIV;wake of cylinder;flow field measurement;wind tunnel

1672-9897(2015)05-0060-05

10.11729/syltlx20150022

2015-02-02;

2015-07-06

XuXH,JiangJL,NiuZG,etal.Measurementsofcylinder’swakebyTomo-PIV.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(5): 60-64. 許相輝, 蔣甲利, 牛中國, 等. 圓柱尾流場的Tomo-PIV測量. 實驗流體力學(xué), 2015, 29(5): 60-64.

O353.5

A

許相輝(1982-)，男，黑龍江哈爾濱人，碩士，高級工程師。研究方向：流動顯示與測量技術(shù)。通信地址：哈爾濱市第88號信箱(150001)。E-mail：38300422@163.com

*通信作者 E-mail: 38300422@163.com