粒子阴影速度计基础

粒子阴影速度计(PSV)是一个拥有microPIV和fsPIV诸多功能的新技术,它利用低功率脉冲光源,如LED来测量流场中粒子的位移。PSV的图像也可以用来表征粒子的参数,如大小和形状。由于这是一个体积光照技术,它依赖接收器的光学性能以优化测量领域的深度。任何脉冲光系统均可以作为光源;然而,LED特别适合因为他们能过在短脉冲模式产生强烈的亚微秒光脉冲。此外,使用LED并结合高速相机便可拥有10千赫带宽的高速系统。由于该技术不依赖于弱粒子光散射,激光方法既不必要也不推荐。

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PSV一般配置如图所示。光从一个脉冲LED光源直接通过测量区域到相机(行间转移,颜色,或高速)。此阵列显示了粒子悬浮在流体中随着他们的前向散射记录产生的阴影。多数情况下,前向散射相比粒子衰减是小的;但在某些特殊情况下,前向散射的振幅可以是大的(例如大型透明颗粒)。

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粒子阴影图像两次不同时间的记录,经过标准的相关方法处理后可得到的速度。在大多数情况下,图像的预处理是非常有必要的,它能减少测量容积,提高颗粒信噪比。过程包括图像调整以提高聚焦粒子的锐度,并反转图像得到一个负片。由此产生的图像非常接近标准PIV图像,事实上也可以用普通的PIV软件进行处理。

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既然有现成的PIV系统,为什么PSV会得到关注?因为相比传统PIV,PSV拥有如下优势:首先,PSV是一个低成本的选择。PSV利用LED而不是激光,因此,该设备的成本明显降低。而且使用LED代替激光器具有明显的安全优势。第二个优势是速度,可以在10千赫重复频率下调制LED脉冲,所得高采样率数据无需依靠昂贵的激光设备。最后,PSV使用容量法光照,这消除了表面的强散射;而使用PIV,散射会导致相机饱和。PSV,如同其他实验技术一样也有一定的局限性,最主要的问题是探头体积。由于它需要拍摄单个粒子,而视野会受限于粒子的大小和像素数量。

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示例

在这个实验中,PSV用来测量喷射流经过拉环的速度。本实验旨在寻求模型声音的生成,这里取得的数据是在500赫兹使用pco.1200摄像机,平均了2000图片后得到的结果。单幅图像在右侧显示,注意到射流的脉动性,这是因为射流摇摆横向于测量面。数据是在喷气核心所获得的,同时在边界处是个较低的速度区域。

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在下图中,PSV应用于获取人工瓣膜的二维速度。 左边图片显示的流量是瓣膜在操作周期内的三种状态,整个序列显示在右下侧。某个点在整个周期内的数据在如俯视图。值得注意的是,历史时间点上的流量是相对重复,但并完全是周期性的。利用锁相技术获取瓣膜的序列数据可能会提供不精确的信息。在一个连续时间序列中获取的图像数据才是实质价值。

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在这个例子中,PSV数据是从火箭固体燃料发动机中获得。我们的目标是跟踪发动机燃料颗粒,它们从燃烧表面脱离后,由于它们进入了主流区,这些颗粒会继续燃烧,它们会与其他颗粒凝聚在一起。这些大颗粒腐蚀发动机的喉管,因此,火箭的推力曲线被修改。在这种情况下,得到的数据是在15千赫。

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使用过滤器分离颗粒后处理线型燃烧器的序列数据。由此汇编的100幅图像如图所示,从中我们很容易识别大颗粒,因为它们从表面进入主流区。它们的尺寸,位置,速度都可以用这单组图像进行处理,该图还包括该序列图像直方图的粒子大小。由此得知PSV技术也具备从燃烧表面获取数据的能力。

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