大型風(fēng)洞PIV試驗的關(guān)鍵技術(shù)

岳廷瑞，李付華，張 鑫，覃 晨，張 遜，肖亞琴

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000)

0 引言

粒子圖像測速(PIV)技術(shù)自20世紀80年代問世以來，經(jīng)過近40年的技術(shù)發(fā)展，在硬件設(shè)備、系統(tǒng)集成和軟件算法上取得了大量重要的進步，其成熟的測量技術(shù)被國內(nèi)外研究人員廣泛認可并應(yīng)用到以流體力學(xué)為代表的大量研究領(lǐng)域。

在小尺度研究型風(fēng)洞，大量科研人員采用二維PIV技術(shù)、三維層析PIV等技術(shù)，深入探索了流動現(xiàn)象，揭示了流動機制，從而催生了一大批創(chuàng)新成果。相比于小尺度研究型風(fēng)洞，大型風(fēng)洞的PIV試驗相對較少。而開展大型風(fēng)洞PIV試驗對于在高雷諾數(shù)下摸清大型飛行器流場演化規(guī)律、考核飛行器布局優(yōu)化性能，推動優(yōu)化及流動控制技術(shù)工程應(yīng)用具有重要意義。

在國外，美國NASA國家全尺寸風(fēng)洞(NFAC)中部署了低頻PIV系統(tǒng)[1]，試驗段尺寸為12 m×24 m×24 m，激光器單脈沖能量350 mJ，測量頻率15 Hz，相機分辨率1 100萬。NASA3.7 m壓力風(fēng)洞、3.4 m×3.4 m跨聲速風(fēng)洞、2.7 m×2.1 m超聲速風(fēng)洞均部署了低頻PIV系統(tǒng)[2-4]。德荷風(fēng)洞(DNW)的LLF(8米量級)和LST、NWB(3米量級)風(fēng)洞，均部署了低頻PIV系統(tǒng)[5-7]，激光器單脈沖能量600 mJ，測量頻率10 Hz，相機分辨率100萬。日本JAXA 的LPT1風(fēng)洞(6米量級)中部署了低頻PIV系統(tǒng)，激光器單脈沖能量1 J，測量頻率8 Hz，相機分辨率120萬。歐洲ETW跨聲速風(fēng)洞試驗段尺寸2.4 m×2.0 m也配置了PIV系統(tǒng)[8]。

表1 國內(nèi)外主要大型風(fēng)洞PIV應(yīng)用情況

總的來說，國外PIV技術(shù)發(fā)展較早，從20世紀90年代就開始從小型研究型設(shè)備進入到生產(chǎn)型風(fēng)洞。

相比于國外，國內(nèi)大型風(fēng)洞PIV試驗起步較晚。文獻[9]將PIV試驗應(yīng)用到汽車風(fēng)洞中測量汽車周圍流場流動狀況。文獻[10]在中國航天氣動院FD-12亞跨超聲速風(fēng)洞開展了超臨界翼型小肋減阻的試驗驗證。文獻[11-12]在環(huán)境風(fēng)洞中應(yīng)用了PIV系統(tǒng)。文獻[13-14]在中國空氣動力研究與發(fā)展中心(以下簡稱氣動中心)低速風(fēng)洞中開展了相關(guān)PIV流場測量試驗研究，文獻[15]在氣動中心8 m×6 m風(fēng)洞中開展了列車模型流場測量試驗。文獻[16]對小展弦比飛翼標模在2.4米跨聲速風(fēng)洞中開展了PIV試驗。文獻[17]在跨超聲速暫沖式風(fēng)洞中開展了PIV試驗。表1列出了國內(nèi)外主要大型風(fēng)洞PIV應(yīng)用情況。

盡管國內(nèi)外在大型風(fēng)洞開展了一些PIV試驗，但大多只是針對具體實驗給出了實驗方法和結(jié)果，對于大型風(fēng)洞PIV試驗的細節(jié)及關(guān)鍵問題介紹較少。

本文梳理了大型風(fēng)洞PIV試驗常見的關(guān)鍵問題，提出了相應(yīng)的解決措施，并列舉了典型試驗結(jié)果。

1 大型風(fēng)洞PIV試驗常見的問題

1)粒子產(chǎn)生及投放問題。區(qū)別于小尺度研究型風(fēng)洞PIV試驗，大型風(fēng)洞測量面積大，在試驗時需要大量可持續(xù)的示蹤粒子，這就給合適的粒子材料選擇、流量及濃度的控制、投放位置及方式帶來了極大的難度。

2)圖像拼接問題。在大型風(fēng)洞試驗中，經(jīng)常需要拍攝較大的視場范圍，比如大于1 m×1 m的大視場，一般一個相機的視場和分辨率不能滿足要求，就需要進行多視場的拼接。

3)反光處理問題。在大風(fēng)洞中，試驗?zāi)Ｐ屯墙饘倌Ｐ?，加之測量面積大、激光能量強，片光打到模型表面的反光也就更強烈，反光不僅影響近壁面的測量，而且還會影響周圍區(qū)域的測量效果。

4)時序調(diào)整問題。在大型風(fēng)洞中，安裝的設(shè)備往往離測量崗位較遠，有時還會安裝在高處，調(diào)整極不方便，如何快速有效的調(diào)整時序也是一個關(guān)鍵的難點問題。

5)設(shè)備標定問題。設(shè)備標定的準確與否會直接影響測量結(jié)果數(shù)據(jù)的好壞，與時序調(diào)整一樣，大型風(fēng)洞與實驗室條件完全不同，更需要快速有效的標定方法，以提高試驗效率。

圖1 大型風(fēng)洞PIV試驗示意圖(氣動中心5米風(fēng)洞)

2 粒子產(chǎn)生及投放技術(shù)

示蹤粒子作為流體速度的代表，其投放效果直接影響了試驗測量結(jié)果。

流量總量可以用以下公式計算：

式中,qm為材料總流量，S為視場面積，η為有效面積比，v為風(fēng)速，φ為粒子體積濃度比，ρ為物料密度。

由上面公式可以看出，測量面積越大、風(fēng)速越高，需要的粒子量就越大。如：大型風(fēng)洞測量1 m×1 m范圍的用量是小型實驗設(shè)備測量0.2 m×0.2 m范圍用量的25倍，一般的小型粒子發(fā)生裝置如舞臺發(fā)煙器、Laskin噴管粒子發(fā)生器等就無法滿足要求。

另外，示蹤粒子還需具備良好的跟隨性、較高的散射效率、具有良好的物理和化學(xué)特性。為此，相關(guān)學(xué)者做了大量的工作，如文獻[18]研究了低速風(fēng)洞PIV實驗中的示蹤粒子投放技術(shù)，文獻[19]開展了高速流動中PIV示蹤粒子松弛特性研究，文獻[20]開展了高速流動PIV示蹤粒子跟隨響應(yīng)特性實驗研究，文獻[21]研究了示蹤粒子發(fā)生和布撒問題，均取得了重要的研究成果。

美國NASA、德荷風(fēng)洞( DNW)等國外大型風(fēng)洞中也開展了大量的粒子發(fā)生及投放技術(shù)研究[22-28]，氣動中心的戰(zhàn)培國對國外大型風(fēng)洞中的PIV技術(shù)應(yīng)用進行了綜述[29-30]，國外大型風(fēng)洞試驗過程中，針對不同的應(yīng)用在粒子投放方面做了大量的工作。

氣動中心研制的基于油基材料加熱蒸發(fā)的大型粒子發(fā)生器，在3米至8米量級風(fēng)洞中均得到了應(yīng)用，其中直流式風(fēng)洞通過排管架投放，播撒面積2 m×2 m，回流式風(fēng)洞可充滿整個風(fēng)洞循環(huán)使用。圖2為大型粒子發(fā)生器在氣動中心8 m×6 m風(fēng)洞12 m×16 m試驗段中布置情況。

圖2 8 m×6 m風(fēng)洞粒子發(fā)生器布置圖

因此，在大型風(fēng)洞中，最好采用加壓或加熱的方式將液體粒子材料霧化或汽化產(chǎn)生示蹤粒子，并將其使用排管陣列架均勻的播撒到流場當中。同時應(yīng)關(guān)注以下幾個關(guān)鍵問題：

1)粒子材料選擇。經(jīng)過廣大學(xué)者的經(jīng)驗總結(jié)，常用的固體材料主要有Al2O3、TiO2、聚苯乙烯等；液體材料主要有乙二醇、硅樹脂油、水、乙二醇/水混合、液態(tài)二氧化碳等。需要根據(jù)不同的應(yīng)用場合進行選擇，其中固態(tài)粒子材料不易揮發(fā)，容易造成污染，水及二氧化碳等材料與空氣結(jié)合后消散較快。針對大型風(fēng)洞，其測量面積大，大量使用成本高，采用油基材料比如乙二醇加熱蒸發(fā)的方式可大量持續(xù)的供應(yīng)，是一種較好的選擇。

2)流量及濃度的控制。粒子濃度首先要滿足每個查詢窗體中所需的基本粒子數(shù)，一般來講，單個查詢窗中至少需要8～10個粒子，測試精度隨粒子濃度的增加而增加，但粒子濃度過高會影響流動特性，出現(xiàn)雙向耦合(Two-way coupling)現(xiàn)象。以液體材料加熱蒸發(fā)為例，產(chǎn)生的粒子總量是由單位時間內(nèi)消耗的液體量決定的，因此要產(chǎn)生高濃度的粒子，就必須將足量的液體材料加熱汽化，對于發(fā)生裝置本身來說，主要途徑是增加加熱功率和增大加熱面積，提高加熱效率，及時的將輸入的液體消化。反而言之，如果要控制粒子濃度，就可以通過控制輸入發(fā)生器的液體流量來實現(xiàn)控制。

3)投放位置及方式的確定。由于在早期修建風(fēng)洞時，相關(guān)流場測量技術(shù)還不成熟，又或修建者更關(guān)注風(fēng)洞結(jié)構(gòu)本身的性能，因此并未考慮在風(fēng)洞結(jié)構(gòu)上安裝粒子投放裝置，比如在上游蜂窩器、阻尼網(wǎng)或?qū)Я髌习惭b噴嘴陣列來實現(xiàn)粒子的均勻投放。所以目前主要的粒子投放方式都是在風(fēng)洞內(nèi)架設(shè)排管架，其上布置小孔或噴嘴陣列。

在直流式風(fēng)洞中，排管架應(yīng)放置在流場上游盡量少干擾流場的位置，比如蜂窩器、阻尼網(wǎng)之前，如果有負壓進氣口，可以考慮從進氣口吸入，最后考慮放置在試驗段上游或試驗?zāi)Ｐ椭啊?/p>

在回流式風(fēng)洞中，發(fā)生器粒子量足夠的情況下，應(yīng)盡量從下游投放，通過氣流循環(huán)后再到達試驗段時粒子會比較均勻，此時可以不用排管架。

3 圖像拼接技術(shù)

拼接主要有兩種方式，一是粒子圖像直接拼接，然后進行速度場的計算，二是首先分別進行速度場的計算，然后進行速度場結(jié)果的拼接。

圖3 風(fēng)力機葉尖渦流場拼接結(jié)果

文獻[31]在風(fēng)力機葉尖渦流場特性測試試驗時采用了數(shù)據(jù)拼接的方式。拼接過程如圖3所示。各窗口重疊部分速度矢量采用3×3網(wǎng)格平均，拼接產(chǎn)生的空白區(qū)域用常數(shù)填補，將窗口拼接后的數(shù)據(jù)整合導(dǎo)入TecPlot，得到同一子午面、同一工況下、大范圍的葉尖渦流場信息。文獻[15]在列車頭型氣流流動的PIV測量中也用到了圖像拼接技術(shù)。

圖像拼接之前應(yīng)做圖像標定。以兩相機拼接為例，首先在標定時需確保相機視場有至少10%的重疊區(qū)域，如圖4，且相機視場的放大系數(shù)保持基本一致，也可認為兩個相機使用同樣焦距鏡頭時到目標的位置距離相等且對稱。要使用一整塊標定板完成兩個相機的標定，而不是使用兩塊標定板分別標定兩個相機或移動一塊標定板來先后標定兩個相機。重疊區(qū)域的位置參數(shù)將是后期拼接的依據(jù)。

圖4 圖像拼接標定示意圖

對比兩種拼接方式，一般采用第二種速度場拼接的方式更為準確，主要原因是直接進行粒子圖像拼接時重疊區(qū)域及兩幅圖像的邊沿部分信息將得到大量丟失，而且在整個圖像的插值過程中，同樣可能會丟掉大量的真實信息，導(dǎo)致后續(xù)的速度場計算誤差增大，使用速度場結(jié)果拼接時可以避免這個問題。首先計算出各自速度場的結(jié)果，然后只在邊界區(qū)域做插值處理，較好的保留了流場的原始信息。同理可進行多個相機的拼接。

以上是針對多個相機同時拍攝，還有另外一種情況，那就是只利用一臺相機通過移動位置拍攝不同時刻的圖像進行結(jié)果拼接，前提是認為流場是穩(wěn)定不變化的定常流場。圖5～6給出了在氣動中心特殊氣象模擬風(fēng)洞的流場測量原理及結(jié)果，分別測量14個截面位置后進行結(jié)果拼接，單次測量視場大小330 mm×330 mm，重合區(qū)域30 mm，總區(qū)域大小1 800 mm×900 mm。圖4是測量原理圖，圖5是流場拼接結(jié)果云圖。

圖5 氣象風(fēng)洞流場測量原理圖

圖6 氣象風(fēng)洞流場拼接結(jié)果

4 反光處理技術(shù)

在大風(fēng)洞中，試驗?zāi)Ｐ屯墙饘倌Ｐ停又疁y量面積大、激光能量強，片光打到模型表面的反光也就更強烈。如圖7所示。從而影響周圍區(qū)域的測量，尤其是近壁面的測量[32-39]。

圖7 近壁面反光示意圖

一般采用的方法主要有：將模型表面噴涂黑色的漆、將模型表面處理粗糙、貼黑色或表面粗糙的膠帶等方法減小反射等。這些方法雖能在一定程度上減小反光，但其改變了模型物理表面，且效果不明顯。

比較有效的方法還有以下幾種：

1)增大相機的光圈同時減小激光能量的方法。通過加大光圈增大相機鏡頭的通光量，可以有效降低所需的激光能量，無需破壞模型表面，從而從源頭上減小了反光強度。

2)通過減去初始背景的方式實現(xiàn)。首先在不投放示蹤粒子時拍攝激光反光圖像，然后在有粒子的結(jié)果圖像中減去初始反光背景圖像。此方法可較好地減輕反光的干擾，但并不能完全去除反光，原因是在投放了示蹤粒子后，示蹤粒子的反射光會影響圖像結(jié)果，由于光反射角度不同，圖像的不同部位增強強度不一致，部分反光可能會減弱，因此在前后圖像相減后可能會導(dǎo)致某些部位圖像信息被錯誤的減去，從而帶來新的問題。

3)通過改變相機拍攝角度來避開反光，由于光反射是有一定方向性的，在某些特定方向上最強，只需改變觀察角度，就可有效避開反光。圖8給出了在氣動中心噴流試驗設(shè)備測量射流沖擊平板試驗時相機移動前的反光效果，當相機向左移動一定距離后，如圖9所示，有效的避開了反光，近壁區(qū)域的圖像也得以清晰的拍攝。

圖8 相機移動前效果圖

圖9 相機移動后效果圖

在這種情況下，相機鏡頭平面與測量面不一定是平行的，根據(jù)沙姆定律，也就是PIV試驗中的Schiempflug成像條件可輕松解決這個問題，沙姆定律基本原理圖如圖10。沙姆定律是指：當被攝體平面、影像平面、鏡頭平面這三個面的延長面相交于一直線時，即可得到全面清晰的影像。但此時不能用標尺等工具進行線性標定，即使是2D2C測量方式也需要利用標定板進行標定，進行圖像變形修正，如圖11。

圖10 沙姆定律成像原理

圖11 標定板圖像校正示意圖

5 時序調(diào)整技術(shù)

在開展風(fēng)洞試驗時，經(jīng)常會遇到時序不同步造成的拍攝圖像對不相關(guān)的問題，其現(xiàn)象是拍不到粒子圖像或不論如何調(diào)整dt(一對圖像的時間間隔)拍攝的圖像對都不相關(guān)，計算不出結(jié)果或出現(xiàn)明顯錯誤，原因一方面可能來自于設(shè)備振動、電磁信號干擾等，這些干擾信號會直接干擾時序控制器的正常運行，另一方面設(shè)備由于搬動或使用時間過長也可能會造成時序不同步的問題。

在大型風(fēng)洞中，試驗環(huán)境更為復(fù)雜，操作更為不便，因此能快速調(diào)整好時序非常關(guān)鍵。有效的快速時序調(diào)整方法主要有以下兩種：

1)結(jié)果圖像觀察法。通過觀察A、B兩路激光與第1、第2兩幀圖像的對應(yīng)關(guān)系來直接判斷。根據(jù)PIV時序的基本原理，如圖12，需要在dt時間內(nèi)的兩路激光與兩幀圖像一一對應(yīng)，如果時序出現(xiàn)問題導(dǎo)致了結(jié)果圖像對不相關(guān)，那么有可能是都不對應(yīng)、只有一路對應(yīng)或兩路對應(yīng)正好相反等情況。這時就需要調(diào)整激光或相機的信號延遲時間來進行調(diào)整。直接觀察法是利用片光打到物體上的反光亮線來判斷(此時需注意能量不能過高，相機光圈盡量調(diào)小，否則可能損傷相機成像芯片)。具體做法是：設(shè)置dt為使用時的較小值(如5 μs)，然后只打開A路激光，拍攝一對圖像，觀察亮線是否出現(xiàn)在某一幀圖像，同樣只打開B路激光，再拍攝一對圖像，觀察結(jié)果，根據(jù)時序原理圖判斷可能需要設(shè)置的延遲時間，直至A、B兩路激光分別被第一、第二兩幀圖像拍到。可采用極大值與極小值往中間逼進的方法可快速找到合適的延遲時間。

圖12 PIV系統(tǒng)簡易時序圖

2)反饋信號測量法。采用結(jié)果圖像觀察法雖可以快速調(diào)整好時序，但采用估算延遲時間的方法不太直觀，如果對設(shè)備不熟悉，可能會花費較長時間。如果有相關(guān)的測量工具，采用反饋信號測量法則更為直觀快捷。反饋信號測量法是利用光電探頭測量激光信號，同時與相機的曝光輸出信號同步通過示波器顯示觀察的方法確定同步時序。具體做法是：將相機的曝光信號(exposure out)接到示波器的第一路輸入(如有多個相機，依次接到示波器測量輸入接口)，將兩路激光器觸發(fā)信號輸出(trigger out)分別接到示波器第二路和第三路輸入(或?qū)⒐怆娞筋^放置在片光可以照射的地方，用以測量激光的出光信號，接到示波器的第二路輸入，此時可在一路信號同時測量兩路激光的脈沖信號)，通過時序控制器運行激光器與相機，調(diào)整示波器，觀察測量信號。如圖13，可直觀的看到，示波器顯示了兩路信號的時序并且定量測量出了信號的周期及寬度，從上至下依次是相機曝光時間信號、第一路激光脈沖信號和第二路激光脈沖信號。此時根據(jù)時序原理將錯位的時序通過測量到的錯位時間對延遲時間進行修正即可。

圖13 示波器測量時序示意圖

6 設(shè)備標定技術(shù)

在正式開始風(fēng)洞試驗之前，我們往往需要對測量結(jié)果進行判定，判斷測量的結(jié)果是否準確合理、符合測量要求。

一般來講，PIV生產(chǎn)廠家在售出儀器前就已經(jīng)對其進行了系統(tǒng)標定, 并提出了一個速度精準度的經(jīng)驗指標，但由于各自算法的差異，風(fēng)洞應(yīng)用情況復(fù)雜，實際的測試誤差要比理想環(huán)境大的多，因此具體應(yīng)用之前，首先應(yīng)當對其測試精準度進行分析。主要包括平時標定和試驗時標定兩個方面。

1)平時標定。一種是利用計算機模擬生成基準流場研究測量結(jié)果誤差，另外一種是采用一些不可壓縮定常流作為基準速度場，比如標準轉(zhuǎn)速裝置，對實際PIV系統(tǒng)測量誤差進行估計和分析。

2)試驗時標定。在實際風(fēng)洞試驗時，在粒子投放、光路布置以及操作人員安裝經(jīng)驗等都可能帶來新的誤差，因此有必要在安裝好設(shè)備后進行測試試驗。常用快速標定的方法是比對法，一種是利用LDV、熱線風(fēng)速儀等測量設(shè)備測量的結(jié)果進行比對，另外一種是測量空風(fēng)洞流場，與風(fēng)洞給定參考風(fēng)速做比對。

在大型風(fēng)洞試驗時，由于設(shè)備往往安裝在洞內(nèi)或高處，且離操作崗位較遠，測量更為不便，因此更加便捷的標定方式是直接測量空風(fēng)洞的定量結(jié)果來判斷測量結(jié)果是否合理，進而利用比對結(jié)果對后續(xù)測量數(shù)據(jù)進行修正。

圖14是氣動中心某風(fēng)洞出口縱截面流場結(jié)果(風(fēng)速12 m/s)，矩形框內(nèi)部為風(fēng)洞的流場，四周為邊界層，可以看出，此流場結(jié)果比較均勻，但其測量值與給定風(fēng)速有誤差，可以此計算出其相對誤差用于測量數(shù)據(jù)的修正。

圖14 某風(fēng)洞出口縱截面流場結(jié)果

圖15是該風(fēng)洞水平面流場結(jié)果(風(fēng)速62 m/s)，其上下兩側(cè)為湍流邊界層，中間為均勻的風(fēng)洞流場，同理可根據(jù)此測量結(jié)果作為后續(xù)數(shù)據(jù)的修正依據(jù)。

圖15 某風(fēng)洞水平面流場結(jié)果

7 結(jié)束語

以上從粒子產(chǎn)生及投放、圖像拼接、反光處理、時序調(diào)整、設(shè)備標定技術(shù)等5個方面探討了大型風(fēng)洞PIV試驗時常見的關(guān)鍵問題及處理方法，可以得到以下結(jié)論：

1)在大型風(fēng)洞試驗中開展粒子投放，應(yīng)重點解決粒子材料選擇、流量及濃度的控制、投放位置及方式等問題，選擇經(jīng)濟實用的材料，研制足量可控且可持續(xù)供應(yīng)的粒子發(fā)生裝置，同時要在適當?shù)奈恢眠M行投放。

2)在進行大視場圖像拼接時，應(yīng)選擇先分別計算再進行速度場結(jié)果進行拼接的方法，并在圖像采集前做拼接標定，以獲得拼接參數(shù)。

3)在反光處理時，應(yīng)根據(jù)實際情況選擇最佳的反光處理方法，如選擇移動相機的方法，應(yīng)在圖像處理時進行變形修正。

4)在大型風(fēng)洞中，應(yīng)掌握快速高效的時序調(diào)整及設(shè)備標定方法，提高試驗效率。

PIV系統(tǒng)是一套較復(fù)雜的精密測量設(shè)備，其使用過程中會遇到很多的細節(jié)問題，需要大量的工程經(jīng)驗積累才能做出好的結(jié)果。在具體試驗時，還會遇到其它各種各樣的問題，比如設(shè)備振動、信號干擾、激光能量不一致、鏡頭對焦不清晰、觸發(fā)信號異常等，需要根據(jù)實際情況進行分析。