基于灰度统计判别的粒子图像速度粒度实时同场测量（PIVS）的系统开发

摘要

燃油喷雾特性直接影响着柴油机的燃烧和排放，研究人员通常希望在测量雾滴尺寸的同时，获得雾滴的速度特性，以进一步研究燃油的微观雾化机理。当今的流场测量技术都无法满足全场速度、粒度同时测量的要求。本文开发了一套能够直接实现对全流场的速度、粒度同场实时测量的系统——粒子图像速度粒度场仪 PIVS（Particle Image Velocimertry & Sizer），在此基础上提出了一种新的粒度测量方法——灰度差分法 GDM（Gray-scale Difference Method），并进行了实验验证。本文主要开展了以下几个方面的工作： 1. 开发了 PIVS的成像系统。一种测量方法需要相应的硬件系统，基于灰度统计判别的 PIVS测量方法要求前后两次激光脉冲的光强或能量有差异。因此，本文开发了基于声光调制的 PIVS成像系统。该系统选用连续激光器，利用声光调制器对激光束的外调制作用，产生不同光强不同频率的激光脉冲，简化了激光系统，在此基础上实现了基于灰度统计判别的查询方法；采用数字摄像机记录图像，省略了图像采集卡，并尝试采用 CMOS相机取代 CCD相机。光强调整减小了光强的高斯分布对成像质量的不利影响。利用该系统对循环水槽模拟水涡流开展了测量，并分析了相应的实验结果。 2. 提出了灰度差分法测量粒径，建立了该方法的测量模型，并进行实验验证。粒子图像的灰度差分法从 Mie散射理论出发，推导出粒子散射到 CCD摄像机中的光能数学解析式。此解析式包含有粒径信息，然后利用 PIVS前后两次曝光的能量差异，得到一个有灰度差异的粒子图像对。经过图像处理，一个粒子的两个粒子图像经过差分，可将成像系统的结构参数影响消除，进而得到粒径信息。统计一张图片的粒径信息，就可以得到流场的粒度及其分布。这种方法不需要反复的标定，而且可以直接得出粒子的粒度信息。在此测量模型的基础上，利用该方法对循环水槽模拟水流进行了测量，验证了这种测量方法的正确性和可行性，并讨论了产生误差的几个因素。 3. 对 PIVS系统进行了验证。利用所开发的成像系统和灰度差分判别方法，对循环水槽模拟水流进行了测量，实现了流场的速度与粒度的同场实时测量。结果表明， PIVS系统可有效地同场实时测量流场的速度和粒度，说明该系统的开发是成功的。