高频率PIV(高速PIV)系统是不能用于高速流体的测试的

silkroad

最近有朋友问起高速PIV系统测试高速流体的问题. 我想在这里就这个问题讨论一下.应该明确指出的是高频率PIV(高速PIV)系统是不能用于高速流体的测试的. 起码现阶段是不行的.以后俺不敢说.
首先我要说的是“高速PIV“的概念, 它其实应该被叫做“高频率PIV“ 或者“时间解析PIV“. 这样的一套设备主要的决定性的部件是高频率的激光和高频率的相机(>1000Hz). 激光可以是单脉冲的,或者是单脉冲和双脉冲两种功能都具备. 每个脉冲的长度为约150 ns, 能量约为30 mJ.  而高频率的相机的芯片是CMOS芯片而非CCD芯片, 也就是说对光信号敏感度较弱. 有个非常重要的时间量“最小的信息传输所需时间“, 一般对于整辐图象而言, 是几个微秒 (µs, 例如3 µs). 这个时间其实就决定了高频率PIV双帧模式两帧照片间的最小时间间隔.
而普通的标准PIV系统的频率一般在15Hz, 现实中的使用频率由相机和激光器中频率低的那个决定. 一般而言, 激光是双脉冲激光, 每个脉冲长度约为10 ns, 能量可达到最高400 mJ. 相机使用双帧模式.  芯片是CCD芯片, 对光信号的灵敏度高. 两帧照片间的时间间隔最小可达到dt=0.2 µs.

对于做高速流体的同事们, 特别是做超音速流体的同事们而言. 应该选用的PIV系统是普通的标准PIV系统. 理由涉及1)系统的最小dt,2) 相机光信号的敏感度, ,3)激光的单脉冲长度
1)想测的速度越高, 空间解析度越高, 所需设备的两帧照片间的时间间隔就必须越短.对于超音速流体而言, dt< 1 &#181;s 是很重要的. 现实测量中的dt和你的放大比率, 被测面积大小, 相机芯片大小, 流体流速和问讯区的大小等有关. 需要自己计算.
2)超音速流体一般来说都是气体. 测量气体的流场, 需要对光信号敏感的相机芯片和高能量的激光.
3)对于PIV粒子的图像而言, 我们要求的是在一个激光脉冲的基础上所获得的粒子的像是个点(一般是2-4pixel的边长).然而对于高频率的激光而言, 单脉冲的时间是约 150 ns, 也就是说粒子像最后不是颗粒, 而是一条线. (有点象你拿着照相机对着夜晚的繁忙的马路进行长时间暴光得到的效果, 是车灯显示的车的运行轨迹), 这样的粒子像不适合做互相关计算.

[ 本帖最后由 silkroad 于 2009-7-6 22:36 编辑 ]

ywang

我最近做PIV实验，因为是声学问题，理论上需要高频PIV。。。

不过我们的piv系统最高频率仅21Hz，呵呵，所以只要使用锁相。

silkroad

楼上的, 谢谢你, 其实你指出了另一个在高频率PIV和普通标准PIV之间如何选择的问题.

高频率PIV, 如果选择双帧模式, 那么建议双帧之间的时间dt和每两组双帧之间的的时间(如果称作DT), dt/DT> 0.1, 只有这样, 前后两个PIV流场才有相关性.  否则高频率PIV的结果其实是随机的, 和普通PIV的结果没什么区别. 而且这样的结果, 是无法得到spectrum的.

kanhlbai

没有用过高速PIV，楼上能解释一下要求dt/DT〉0.1，前后两个PIV流场才有相关性的原因吗？

zwg07

顶，楼主讲的很清楚，专业

silkroad

回答四楼的筒子,
对于做湍流动力学研究的同事们, 经常性的需要对结果进行spectrum分析(这在点速度测量的技术中, 用得很广泛, 如Hot wire), 来研究湍流的空间和时间scale. 如果您想resolve越小的scale, 所需要的空间和时间的解析度(resolution)就高. 我们涉及到的dt/DT〉0.1是和时间的解析度有关的. dt的设置是用来得到正确的速度流场的. DT决定时间解析度. 速度高dt就小, 那么为了得到相关的湍流的信息, DT也必须小. 否则, 两个连续的流场之间就没有相关性了. 换句话说, 有个EDDY, 在第一个流场中刚刚捕捉到, 那么DT必须足够小以用来捕捉整个EDDY的发展. 其实dt/DT > 0.1只是个大概的建议. 具体情况,要根据你的被测试的流体的流动状况和你的实验目的进行计算.

回答五楼的筒子,
过奖了.(谦虚一下, ).

kanhlbai

谢谢丝路的回复，长见识了 ，实际上就是DT越小，对流体结构的变化过程分辨率越高，假设如果DT=0，流体结构的变化过程就是连续的了。

btw，丝路在研究湍流，壁湍流（边界层）还是钝体尾流？

silkroad

回答楼上的同志,

不客气. 丝路本人是做湍流的, 也做过water-oil two-phase flow in porous medium.我的工作偏应用较多, 比起MPI和DLR的一些专门从事基础科学研究和实验技术研发的人, 总觉得自己挺肤浅的. 所以老是有混饭吃的感觉. 不过在欧洲, 我们这个领域, 女孩子比较容易混.

因为我们MPI 所和DLR在一起, 所以每天都见面, 大家都认识, 也有合作. 很多的知识都是闲谈的时候学来的.

kanhlbai

就知道DLR，不知道MPI
你做湍流哪个方向呢？九月份德国有个湍流会议ETC12，你有文章没？如果签证没有问题，我就有机会在这个会上作个报告，我做的是湍流边界层主动控制减阻实验研究。

silkroad

MPI is Max Planck Institute,
我个人的理解是德国的中科院.

俺近期内不去会议了, 俺快要当妈妈了. 不到处乱跑了.

祝你开会取得好成绩. 给咱中国人露露脸. 对了, 你在哪里工作呢?

kanhlbai

原帖由 silkroad 于 2009-7-24 15:28 发表

                               
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MPI is Max Planck Institute,
我个人的理解是德国的中科院.

俺近期内不去会议了, 俺快要当妈妈了. 不到处乱跑了.

祝你开会取得好成绩. 给咱中国人露露脸. 对了, 你在哪里工作呢?

谢谢鼓励，目前还没有很好的结果，去开会就只能本着交流的目的了。我现在香港上学

silkroad

香港那边最近来了一个很不错的博士后. 另外还有一个在香港做完博士后在荷兰拿到助理教授位置的. 都很优秀呢. 加油!!!

bp200

谢谢 LZ.CQ7M

www_whw_cn

湍流的是得注意了

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湍流的是得注意了