[求助]请教磨料水射流出喷嘴的两相流能否用PIV测量

huguihua

各位老师、师兄师姐：
    我在做磨料水射流机理研究的课题，现在想用PIV测量出喷嘴的液固两相流的速度，我用Fluent计算出喷嘴的两相流速度大小约为200m/s-300m/s，喷嘴直径为1-1.7mm，磨料材料是天然棕刚玉（主要成分是三氧化二铝，有泥沙等杂质），我想用和水的密度一样的空心玻璃微珠作为示踪粒子跟随水的流动测量水的速度，磨料的速度直接测量，请教大家我这种情况能否用PIV测量液固两相的速度呢？喷嘴直径太小是不是对结果有影响？能否出结果？我这么高的速度能否用TSI系统的PIV测量？我这种磨料水射流比较浑浊，不知道能否用PIV测量浑浊的两相流的速度？如果减少磨料的浓度浑浊情况可能要好一些，但是不知道这种磨料的散光强度是否好，能否用PIV分辨出磨料粒子？因为我明年三月份就要毕业了，时间非常紧张，恳请各位给我提出宝贵意见和帮助！谢谢

yxjbuaa

我一直在做内流实验，是以空气为工作介质的，所以对两相流的问题不清楚，和huguihua 讨论了一下，有很多问题不能得到解决，请大家帮帮他吧，说说自己的看法。这是一个很具挑战性的问题。

piv

首先从你的实验测量区域就是一个很大的问题：不大不小，使用普通的光学镜头和显微镜头都不合适。另外这种两相流实验确实难做，建议你先做单相的，进一步再做两相的，step by step，一步到位是几乎不可能的。而且刚才核算了一下你的速度场跟测量区域的参数，以前普通的跨帧相机很难达到你的要求了（你的实验要求一对图像小于100ns了），这需要目前最新出的跨帧ccd，从你的时间安排估计是来不及了。

yxjbuaa

北大的最新的产品应当可以实现，现在的跨帧应当在100ns左右，北大的老系统是200ns，如果片光在1～2mm，也应该可以的。可以试一下，相信发挥系统的极限还是可以的，只是，粒子太大，以及浑浊可能会影响实验结果。对于浑浊问题，我想在试验前应当把粒子好好清洗一下。此外受固体颗粒的影响，水的速度可能很难分析出来，是不是需要分开测量还值得考虑。

huguihua

piv,你好！谢谢你的宝贵意见！因为我对光学镜和显微镜头不熟，所以我不知道我的这个测量区域倒的能不能测量？不过yxjbuaa说PIV的空间分辨率可以达到0.1mm，他说如果CCD镜头选的合适，在这个区域内是可以实现10个左右的vector的，请问这种CCD镜头是不是很难选择？普通的TSI的PIV不能满足这种要求吗？还有你说普通的跨帧相机很难达到我的速度要求，可是我看了北京大学特赛流动测量研究中心出版的TSI系列的一本书《粒子图像速度场仪〉上写有最高可测速度已达600M/S,在有2个YAG激光的情况下，高端可测速直到1000m/s,我想请问要测量这么高的速度是不是很难实现啊？TSI系列的PIV没有这种跨帧CCD吗?另外，我对你提出的先做单相的，进一步再做两相的，step by step的试验安排建议非常赞同，那么我就先做磨料颗粒的试验然后再做两相的试验。对于我的时间问题我已同导师商量过，如果来不及我打算延期半年毕业，争取能够测出结果来，但不知道延期半年够不够？不管怎样，我都要用PIV试一试，尽量能够测出我需要的结果来。所以，我还是请你帮忙就我以上的问题提出宝贵意见！谢谢！

huguihua

Yu老师您好！谢谢您的建议！我刚发了一个回复piv朋友的贴子，可能正好您也发过来了。您说北大最新的跨帧应当在100ns左右，如果片光在1～2mm，应该可以测量的。我不知道我们学校力学所的PIV能否达到这个要求？我要去问一问。另外，您说粒子太大，以及浑浊可能会影响实验结果，可是罗万银博士告诉我他试验过比我粒子更大的沙的测量都能行，说浑浊应该不是问题，因为他说我的磨料的反光性应该可以的，而且他们跟您们那边的人合作做了一个固体颗粒喷嘴喷射的实验，很成功。鉴于您和他的观点我打算还是先试一试再说。您建议我试验前先洗涤磨料和罗老师的观点一样，我可以试一试.不过我的导师和师姐倒是建议我在这种不纯的磨料中加入纯度高的人造棕刚玉，这种磨料不含泥沙，硬度高，切割能力强。我想也试一试。另外，对于您提出的分开测量两相的速度的建议和piv朋友一致，我也赞成您们的建议。再次感谢您的帮助和建议！恳请您对我以上的想法和问题提出好的意见！

piv

PIV系统能够测量的速度大小跟两个因素有关：测试区域大小；相机的跨帧时间。因为PIV的基本原理是通过双脉冲激光捕捉前后两幅图像，当拍摄区域很小的时候，同样的速度反映出来的粒子位移就更大。像跨帧100NS的相机，在拍摄1MM见方的区域时，能够测量的速度极限就是100米/秒，但是拍摄1厘米见方的区域就能达到1000米/秒。附件中给你个小软件，可以自己简单估算一下。另外就是光学成像的问题，普通的光学镜头成像都在厘米量级，即使加了接圈也到不了10毫米，而显微镜都是小于1毫米，所以你的实验在镜头改造上也要下点功夫。

yxjbuaa

没有必要让视场只有1mm，只要能够保证有效区域内有足够的vetors就可以了，TSI的最新的Powerview－4M CCD应当可以满足需要，以前的老系统也可能可以，试一下就可以了。

huguihua

谢谢以上二位的指教！对于您们的宝贵意见我会记下来的，因为我现在还没有做试验，还不清楚我们学校的PIV到底能否满足我试验的要求，我会把您们的意见带到力学所去和他们的老师和学生讨论的，看看确实能够用他们的仪器测量后再进行试验，不过在实验中如果遇到困难还得请教您们的高见的！另外，vip您给我的PIVTool.exe我解压后出现了PIVTool图标，然后点击后出现PIV计算工具对话框，随着填入最高流速和最大测试区域的数字不同以及选择相机分辨率的不同，拍摄间隔时间和最高采集速率也跟着变化，从而可以大致估算一下在最高流速和最大测试区域分别为多少以及选择一定的相机分辨率的情况下拍摄间隔时间和最高采集速率的值。不过，我有几个问题不明白想请教一下，一是最高流速和最大测试区域的单位各是什么？拍摄间隔时间是指两帧象之间的时间间隔吗？最高采集速率是什么意思？

piv

PIVTool计算出的时间参数是保守估计，以单个向量结果长度10个像素为标准计算的，而实际空气中的试验一般达不到这么理想的，能达到四五个像素就不错，所以实际试验使用的时间间隔参数可能还小一些。
其中，时间单位是秒，长度单位是米，速度单位是米/秒，采集速率是幅/秒，拍摄间隔时间就是指两帧图像之间的时间间隔，最高采集速率就是拍摄间隔时间的倒数，指的是如果使用高速相机拍摄，需要达到的拍摄速率。

huguihua

谢谢piv！我按照您所说的意思将我用fluent算出来的颗粒的最高速度240m/s填入框中，最大测试区域按照最大喷嘴直径0.00017m填入，相机分辨率选了640、1000、1200几种都试了一下，得出的拍摄间隔时间分别为8.85417e-009、5.6667e-009、4.72222e-009，也就是要求两帧图像之间的时间间隔达到几个来纳秒，不知道我们学校的PIV能否达到这个要求？我还是要去问一下力学所的研究生他们看能不能测？谢谢您提供的PIVTool和建议！以后有问题我还要请教您，请您多多指教！

yxjbuaa

[这个贴子最后由yxjbuaa在 2004/11/30 10:23pm 第 1 次编辑]

这个计算似乎太保守，我用北大的TSI的老产品做的叶轮机内流实验（3D），好的地方可以达到 16pixel/mm，而且是在镜头选择很少（用的是200mm焦距）的情况下得到的，结果实际的空间分辨率是 0.8mm左右，前几天看到的文献（现在就在我手上），用的系统和我们的相同，空间分辨率是0.22mm，可见，如果用好的镜头，选用好的焦距，再提高也是可能的。何况，现在TSI的最新产品的分辨率提高了4倍，如果用Lavision的最新产品（清华和上海交大有），我在网上查过，无论在空间分辨率还是在时间分辨率上都可以满足要求，这一点应该是没有问题的。TSI的Insight5在处理数据的时候会人为的将有些区域的分辨率降低（我指3D的，2D的没有做过，不太清楚），但也应该可以满足要求（注意：这里按通常推荐的处理方式 interrogation window should be with 50% overlap）。我测量的流场速度最大是50m/s左右，选用的dt是6or8微秒，如果速度是300m/s，选用略小于1微秒的dt就可以，如果考虑空间分辨率提高，老的系统，最小的dt是0.2微秒，也基本可以满足要求。

huguihua

谢谢Yu老师！我今天下午准备去请教力学所用过PIV的同学，回来后准备做一个关于PIV的试验方案，明天下午我们小组开会，我准备讲一讲，请师兄师姐们一起帮忙出主意，然后再讨论试验的事。我会将我们讨论的结果及时告诉您的，请您到时也帮忙出出主意！谢谢！

huguihua

Yu老师、piv您们好！
   我们课题组前天下午开了一个学术讨论会，我做了一个题名为“PIV原理和用PIV测量磨料射流速度的试验方案设想”的报告，主要是根据Yu老师传给我的PIV英文说明书中PIV的原理、系统组成部件及其应用、自相关、互相关的原理、播种粒子的选择原则、得到好的结果的原则等等以及我对试验方案的几点想法做了一下报告，当我提到磨料浑浊时我的一位师姐指出需要弄清楚磨料浓度到底需要多少才能测出结果？于是我去问力学所用过PIV的一个硕士生，他说一般示踪粒子的质量百分比浓度要小于1%，我想请问您们二位他的说法是否正确？您们认为我的磨料的质量百分比浓度应该为多少为好？还有，我看说明书里面的片光源光学元件（柱面镜、球面镜等）就装在激光器前面，可以直接将激光的光束变成片光而照射流场，然后由CCD垂直拍摄流场片光所在的二维平面粒子反射所形成的图像，可是我上次观看力学所学生做试验时，没有看见激光器前面的片光源光学元件，而是在距离激光器一段距离放置一个平面镜，在平面镜的前面就是测量水槽，水槽的前面是CCD，激光打在平面经上折射到室内的天花板上，经过天花板的折射的光成为片光照在水槽的流场中形成二维平面，CCD拍摄这个二维平面即可。我想请问PIV激光器前面是不是都有片光源光学元件？因为我的射流范围太小，我想最好直接用激光通过片光源光学元件形成的片光打在射流上，而不需要通过平面镜的折射，不知道这种效果能否达到？最后一个问题，因为射流距离地面有一段高度，我想请问一下激光器能不能放置在距离地面一定高度的物件上，如果能，这个物件有什么要求没有？

huguihua

请Yu老师、piv对我上一个回复的问题帮忙提出宝贵意见！谢谢！