PIV技术在水垫塘模型水流流动中的应用研究

摘要

随着计算机和图像处理方法的快速发展，粒子图像测速法（Particle Image Velocimetry，简称PIV）也得到了相应的发展。作为一种全流场无接触瞬时测量的工具，PIV测量技术已经广泛地应用于流体及多相流参数的测量，而且具有较高的测量精度。本文简要地回顾了PIV测量技术的一些优点和工程应用，综述了PIV技术发展趋势及意义。 作者在参阅了大量的国内外有关流场试验可视化技术、数字图像处理技术、高速水力学、流体力学等相关文献基础上，设计了一套有关水工模型实验的实验台及相关的水循环系统、光源系统等。水工模型为水利工程中的水垫塘模型，射流入水角有75度和60度两种情况，射流入水流量和塘内水深可使用数显阀位控制器和尾水闸门调节。在此基础上，使用数字图像处理技术中的PIV和PTV（Particle Tracking Velocimetry）算法分别测量了射流入水角75度和60度两种情况水垫塘模型流场的速度场，建立了相应的流场流态图像库、速度场库。同时得到其它的参数如涡量场、等流函数线、紊动能等，这些参数对复杂流动和湍流有重要的研究意义。水射流进入水垫塘可以将气体卷入塘内，形成水垫塘自掺气的水气两相流流场。 使用数字图像处理技术中的PIV和PTV测速技术就射流入水角75度和60度两种情况分别测量了水垫塘模型水气两相流流场的各相速度场，建立了相应的两相流流态图像库。PIV算法通过示踪粒子测量连续相(水流流场)的矢量场，PTV算法对分散相(气相)进行量测，实现了两相的同时测量。在量测之前，先使用相分离技术，实现两相的分离。同时给出了水垫塘内气相(气泡)的特征参数如粒径、浓度分布等。 使用数值软件（CFX）对此水工实验模型的淹没射流流场进行了数值模拟，得到水垫塘内的速度场、等流函数线图，将这些计算结果以可视化结果的形式给出。将数值模拟的结果和数字图像处理的结果相比较分析，发现两种方法之间的速度差别较小，在非边界点处两种方法的速度数据符合相对较好，最小绝对误差为0.001m/s，最小相对误差为0.49﹪。绝对误差较大的是容易引起测量误差的边界点。PIV技术测量的结果可为数值模拟模型的建立打下良好的基础，为数值模拟提供可靠的实验数据。