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方法文章

利用流动成像技术同步测量湍流与颗粒运动学

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DOI：

10.3791/58036

⸱

2019年3月12日

 , 
1Department of Coastal and Marine Systems Science, Coastal Carolina University

本文内容

摘要

本文所述技术提供了一种低成本且相对简单的方法，可同时测量低颗粒浓度流动中的颗粒运动学和湍流。湍流测量采用粒子图像测速技术（PIV），而颗粒运动学则通过高速相机在重叠视场内获取的图像进行计算。

摘要

科学和工程领域的许多问题都涉及理解湍流中颗粒的运动学特性，例如海洋中的污染物、海洋微生物和/或沉积物，或工程系统中的流化床反应器和燃烧过程。为了研究湍流对这些流动中颗粒运动学的影响，需要同时测量流体流动和颗粒运动学。目前已存在用于测量湍流或追踪颗粒的非侵入式光学流动测量技术，但由于不同技术之间可能产生干扰，同时进行测量仍具有挑战性。本文介绍的方法提供了一种成本较低且相对简单的手段，可实现流动与颗粒运动学的同步测量。通过粒子图像测速技术（PIV）测量流动的一个横截面，获得测量平面内的两个速度分量。该技术利用脉冲激光照射示踪粒子所标记的流动区域，并由数字相机成像。同时，使用发光二极管（LED）线光源对流动的一个平面横截面进行照明并成像，以获取颗粒的运动学信息，该照明区域与PIV的视场（FOV）重叠。线光源的功率足够低，不会影响PIV测量结果，但又足够强，能够照亮高速相机所成像的较大目标颗粒。含有PIV激光脉冲的高速图像可通过检查每幅高速图像的总强度水平轻松滤除。通过使高速相机的帧率与PIV相机的帧率不成整数倍关系，可最大限度减少高速时间序列中受污染的帧数。该方法适用于主流场主要为二维、所含颗粒粒径至少为PIV示踪粒子平均直径5倍以上、且浓度较低的流动条件。

引言

在科学和工程领域中，存在大量涉及粒子在湍流中行为的应用实例，例如大气中的气溶胶、工程系统中的污染物和/或沉积物，以及海洋中的海洋微生物或沉积物1,2,3。在这些应用中，人们通常关注粒子如何响应湍流，这就需要对粒子的运动学和流体动力学进行同步测量。

现有的测量粒子运动的技术，称为粒子追踪（PT），可追踪单个粒子的运动轨迹，以及粒子图像测速的统计技术4,5 （PIV）用于测量流速，均采用了非侵入式光学技术。利用这些非侵入式光学技术同时测量流场和颗粒运动学的主要挑战在于，每种成像技术需要独立的照明系统，且彼此之间不能干扰对方的测量精度。例如， 用于测量粒子运动学的照明光源不能对流体速度测量产生显著的噪声干扰，反之亦然。两组图像的对比度均需足够高，以获得可靠的结果。例如，粒子追踪（PT）图像需转换为黑白图像，以便进行斑点分析以确定粒子位置；因此，对比度过低会导致粒子位置判定错误。粒子图像测速（PIV）图像对比度不足则相当于信噪比过低，将导致流体速度估算不准确。

本文介绍了一种相对低成本且简单的同步测量颗粒运动学和流场速度的方法。通过使用高功率单色发光二极管（LED）线光源（“线”指光源的光阑）和双头高强度激光器，可在同一区域内同时成像目标颗粒和流场。LED的高功率足以支持高速相机对（被追踪的）颗粒进行成像，但由于PIV示踪粒子散射的光强极低，因此不会影响PIV图像。当双头高强度激光器在短时间内照射流场以获取PIV图像时，这些图像在被记录后可轻易地从高速PT相机获取的时间序列中剔除。通过避免两种系统以帧率互为倍数的方式运行，可进一步最小化高速图像（用于粒子追踪）时间序列中出现的PIV激光脉冲干扰。在更先进的实验配置中，还可以通过外部触发信号对PT和PIV相机进行延时控制，以确保此类干扰不会发生。最后，通过仔细考虑位于PIV视场（FOV）内被追踪颗粒的数量，这些被追踪颗粒在PIV图像相关性分析中引入的误差已包含在整体误差估计之中，该误差估计同时涵盖了PIV示踪粒子在 interrogation window 内尺寸分布不均所带来的误差。绝大多数PIV示踪粒子能够良好跟随流体运动，从而提供准确的流速估算结果。这些技术实现了在二维平面内对颗粒运动学和流场的同步直接测量。

本技术通过应用于测定湍流中颗粒沉降特性的实例进行演示，该条件类似于Yang和Shy6以及Jacobs等7研究中所采用的条件。颗粒沉降是泥沙输运的最后阶段，通常包括泥沙悬浮、输运和沉降三个过程。在大多数以往关于湍流中颗粒沉降的研究中，颗粒轨迹或湍流速度通常并非直接测量，而是通过理论推导或模型模拟获得8,9,10。由于实验上难以同时测量颗粒与湍流的相互作用，相关细节通常依赖理论模型和数值模拟进行研究6,11。本文在振荡网格装置中展示了一个颗粒-湍流相互作用的案例研究，重点考察颗粒的沉降速度及其与湍流的耦合特性。为便于表述，下文将所研究的颗粒称为"颗粒"，将用于PIV技术的示踪粒子称为"示踪粒子"；此外，将用于高速成像颗粒轨迹的相机称为"颗粒追踪"、"PT"或"高速"相机，用于获取"高速图像"，而将用于PIV方法的相机称为"PIV相机"，用于获取"图像"。本文所述方法能够在装置内预定义的兴趣区域内，同步测量颗粒的运动学特性和流体动力学参数。所获得的数据可对颗粒-湍流相互作用提供二维描述。

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方案

注意：所有人员均须接受 4 类激光器的安全使用与操作，以及手动和电动工具的安全使用与操作方面的培训。

1. 实验装置

  1. PIV 设置
    1. 设置双头激光器及光学系统。
      1. 将激光器放置在光学平台上。相对于实验装置底部（或相对于地面，若需使垂直速度与重力加速度方向对齐）调平激光器，并将激光束垂直对准待成像的二维平面中心。
      2. 通过将柱面透镜固定在光学平台上，将其置于激光束路径中。该透镜将激光束展成二维平面。成像二维平面的大小取决于透镜焦距及与待测区域的距离。调节透镜位置和距离，直至照明区域足够大以满足特定应用需求。
      3. 在柱面透镜与二维成像平面之间，将球面透镜放置于光学平台上。球面透镜与柱面透镜之间的距离以及球面透镜的焦距将决定所照明二维平面（光片）的厚度。调节该距离和透镜焦距，使光片厚度约为 0.5–1 mm。
    2. 定位 PIV 相机并进行初步校准。
      1. 为 PIV 相机安装镜头，开启 PIV 相机的自由/连续模式，并进行粗略对焦。调节 PIV 相机的光圈（f-stop），使成像传感器接收到足够的光量；该光圈设置在使用室内白光与激光照明时可能不同。
        1. 调节镜头和距离，使图像尺寸足以观察感兴趣区域。PIV 相机镜头的选择及其与光片之间的距离决定了其图像的物理尺寸。理想情况下，图像尺寸应小于或接近步骤 1.1.1 中设置的光片尺寸。
      2. 确保 PIV 相机与光片垂直，并粗略调节高度，使感兴趣区域（由光片边界定义——见步骤 1.1.1）位于 PIV 相机的视场（FOV）内。
      3. 相对于流动装置底部（或相对于地面，若需使垂直速度与重力加速度方向对齐）调平 PIV 相机。PIV 相机必须精确垂直于光片，这一点至关重要，应彻底检查。
      4. 关闭 PIV 相机，开启激光器。放置校准靶标并使其与光片中心对齐，然后关闭激光器。
        注：校准靶标为二维平板（通常为金属材质以保证刚性），其上包含多个标记（例如点或十字），按规则网格排列。该平板通常为黑色底漆配白色标记。已知标记间距可用于估算物理单位与像素之间的转换系数。
      5. 重新开启 PIV 相机，并对校准靶标进行精细对焦。PIV 相机的像素分辨率将决定空间区域的分辨能力；因此应予以考虑（详见步骤 2.1.1 和 2.1.4 中的相关说明）。
      6. 采集一幅图像。通过确认校准靶标一行的高度一致以及一列的水平位置一致，验证 PIV 相机是否水平。检查图像四个角的校准标记尺寸（以像素计），以评估图像畸变程度，应尽量减小畸变。四个角的校准标记尺寸差异理想情况下应为零，但不应超过 1 像素。
    3. 向流动中添加 PIV 示踪粒子。
      1. 选择合适的示踪粒子，要求其密度与流体相近（中性浮力）、化学惰性、尺寸和形状合适（球形且足够小以跟随流动），且相对于流体具有较高的折射率12,13。
        注：在本案例研究中，流体为水，我们使用了平均直径为 10 μm、密度为 1.1 g/cc 的空心玻璃微球。
      2. 将 PIV 示踪粒子引入流动中，并运行装置（振荡网格），直至其充分混合。逐步引入示踪粒子，并评估图像质量和示踪粒子密度。
        注：示踪粒子灰度强度与背景强度之间较大的差异为最佳。
        1. 通过开启激光器并在自由/连续模式下采集图像进行评估。图像中示踪粒子的浓度应足够高但不呈斑点状4,14。选择浓度水平时应考虑所需互相关窗口的大小，建议在 PIV 图像对中每对互相关分析包含约 8–10 个清晰的粒子对4（见步骤 2.1.1）。
    4. 设置 PIV 参数。PIV 参数包括 PIV 相机帧率（与激光双脉冲重复频率相同）、图像对之间的时间间隔（即连续（双）激光脉冲之间的时间）以及采集的图像对数量。在审查步骤 1.1.5 的结果后，可能需要进一步优化这些设置。
      1. 设置 PIV 相机和激光器的时间参数（帧率）。这些参数决定了采样速度矢量图的时间分辨率，应尽可能高（受限于 PIV 相机、激光器或硬盘空间），最高可达流动最小时间尺度的一半 。
      2. 设置连续 PIV 图像之间的时间间隔（即一对 PIV 图像）。
        1. 根据装置内平均流速和查询窗口的大小（见 2.1.1）设置连续 PIV 图像之间的时间间隔。使示踪粒子在连续图像之间的时间间隔内位移约查询窗口大小的 1/4–1/2。连续图像之间的时间也设定了两次激光脉冲之间的时间。
        2. 预设第一次脉冲在 PIV 相机 快门开启后短时间内发射。若使用互相关 PIV 相机，PIV 相机会将图像存储在缓冲内存中，并再次开启快门。
        3. 根据此处设定的时间发射第二次激光脉冲。第二次脉冲发射后，相机快门将再次关闭，将两幅图像发送至图像采集卡（或 PIV 相机板载内存）。
        4. 通过 PIV 相机帧率（见 1.1.4.1）确定触发图像对第一幅图像采集的第一次脉冲与触发下一图像对第一幅图像采集的第一次脉冲之间的时间。
      3. 设置采集的图像对数量。采集的图像对数量应选择为确保统计流动特性的收敛性，具体数量取决于实验设置，通常在数百至数千对图像之间。
    5. 测试 PIV 设置。
      1. 将激光器设为双头外触发模式，并提高激光功率。完全关闭室内灯光。
      2. 以同步连续模式采集几秒钟数据。
      3. 停止数据采集。
      4. 对采集的图像对进行互相关分析（见 2.1.1）。
        1. 若通过信噪比（最高互相关峰值与第二高互相关峰值之比——见 2.1.1）的有效矢量百分比未达到 90% 以上，或查询窗口内示踪粒子平均位移未达到查询窗口大小的约 0.25–0.5，则重复并验证第 1.1 节各步骤的正确实施，直至达到要求。达到要求后，停止装置（停止网格振荡）。
  2. 二维高速粒子追踪设置
    1. 定位单色 LED 线光源。
      1. 选择 LED 线光源，使其能以较大的后向散射强度照亮待研究粒子（例如沉积物粒子）（粒子与流体折射率差异较大）。该光源还应能连续照明或以可与 PT 相机同步的频率照明。
      2. 将线光源厚度最小化，理想情况下与 PIV 光片厚度匹配，但不应超过 PIV 光片厚度的 10 倍，以减少因粒子面外运动引起的不确定性。
      3. 将 LED 线光源宽度设置为匹配或覆盖 PIV 视场（FOV）。将 LED 垂直于激光产生的光片安装，以避免光线遮挡问题（例如从侧面照射 PIV 光片，从底部照射 LED）。参见 图 1。
      4. 对齐 LED 线光源，使 PIV 光片厚度位于 LED 线光源厚度的中心。仅通过调节 LED 位置实现此对齐。若移动 PIV 光片，则需重复第 1.1 节的步骤。
    2. 定位高速 PT 相机并进行初步校准。
      1. 为 PT 相机安装镜头，开启 PT 相机的自由/连续/实时模式，并进行粗略对焦。如有需要，调节 PT 相机光圈，使成像传感器接收到足够的光量；该光圈设置在使用室内白光与 LED 照明时可能不同。镜头的选择及相机与 LED 线光源之间的距离决定了 PT 相机图像的物理尺寸。理想情况下，PT 相机视场（FOV）应小于或接近 LED 照明区域的尺寸。
      2. 确保高速相机与线光源垂直，并粗略调节高度，使感兴趣区域位于 PT 相机视场（FOV）内，且包含 PIV 视场（FOV）。
      3. 相对于流动装置底部（或相对于地面，若需使垂直速度与重力加速度方向对齐）调平 PT 相机。PT 相机必须精确垂直于线光源照明的平面，这一点至关重要，应彻底检查。
      4. 关闭 PT 相机，开启线光源，放置与线光源中心对齐的校准靶标，然后关闭线光源。
      5. 重新开启 PT 相机，并对校准靶标进行精细对焦。进一步调节镜头和距离，使图像尺寸足以观察感兴趣区域并包含 PIV 视场（FOV）。
      6. 选择镜头和距离，使高速 PT 相机视场（FOV）大于 PIV 视场（FOV）。此布置是必要的，以确保 PIV 相机与高速 PT 相机不会相互物理遮挡。
      7. 将 PT 相机和 PIV 相机垂直（堆叠）或侧向错开排列。可方便地将高速 PT 视场（FOV）与 PIV 视场（FOV）的一个角对齐。PT 相机的像素分辨率将决定空间区域的分辨能力；因此应予以考虑。物理单位与像素之间的转换系数决定了单个像素覆盖的物理距离。粒子在连续图像之间的位移应约为 3–10 像素；若因视场过小（或过大）或像素数过多（或过少）导致位移过大（或过小），则粒子在图像间的位移可能不理想（另见 1.2.3.2）。
      8. 选择待研究粒子。
        1. 使用远大于 PIV 示踪粒子的待研究粒子，以充分区分待研究粒子与 PIV 示踪粒子。我们已成功使用约比 PIV 示踪粒子大 5 倍的粒子，并认为这是下限，但该限值可能取决于粒子折射率和光源。待研究粒子在高速相机图像中应占据约 4–5 像素的面积。因此，待研究粒子的尺寸允许高速图像的像素分辨率低于 PIV 图像。
        2. 根据需要重复步骤 1.2.2.1–1.2.2.5 以实现此步骤。
      9. 采集一幅校准靶标图像。通过确认校准靶标一行的高度一致以及一列的水平位置一致，验证 PT 相机是否水平。同时检查图像四个角的校准标记尺寸，以评估图像畸变程度，应尽量减小畸变（差异不超过 1 像素）。
    3. 设置高速相机参数。高速相机参数包括 PT 相机的帧率（本例中也设定曝光时间）、PT 相机分辨率（全帧或像素合并以提高帧率或延长采集时间）以及采集的图像数量。
      1. 设置采集的图像数量（即采集时间长度）。采集的图像数量影响测量的粒子轨迹数量——采集时间越长，可测量的轨迹越多。
      2. 设置高速 PT 相机的帧率（和曝光时间）及分辨率。
        1. 避免将高速图像采集率设为 PIV 帧率的相同值或倍数。根据流动中粒子的估计速度设置帧率。粒子在连续图像之间的位移应超过 1 或 2 像素，以避免连续图像中粒子位置重叠；然而，过大的间隔（>10 像素）将导致连续图像中识别同一粒子的置信度降低，从而丢失粒子轨迹（见 2.2.4）。调节 PT 相机分辨率和帧率，使粒子位移处于此范围（3–10 像素）。
    4. 测试高速相机设置。
      1. 开启 LED 线光源，其余光源关闭。
      2. 运行装置（开始振荡网格）。
      3. 将粒子引入流动中，并在粒子出现在高速相机视场（FOV）后采集几帧图像。叠加连续帧，评估连续帧中的粒子是否可区分。
        1. 检查粒子进入高速相机视场（FOV）的位置是否足够远离视场，使入口效应可忽略；粒子密度是否足够稀疏，使高速图像视场（FOV）内粒子重叠不频繁；粒子运动是否主要在成像平面内，使粒子在相机视场/PT 相机图像历史中可通过肉眼追踪。
        2. 若未达到上述结果，则重复第 1.2 节直至实现。实现后，停止装置（停止网格振荡）。
  3. 联合最终校准
    1. 将校准靶标置于 PIV 和 PT 相机视场（FOV）内，且位于 LED 和 PIV 光片中。校准靶标应能被高速 PT 相机和 PIV 相机同时观察到。验证两台相机均处于对焦状态。若任一相机未对焦，则需分别重复第 1.1 节和第 1.2 节的步骤。
    2. 确保校准靶标上至少存在一个独特的标记，该标记能被高速相机视场（FOV）和 PIV 相机视场（FOV）同时观察到。测量并标注该独特标记在物理空间中的位置，用于图像间的空间配准。
    3. 通过高速 PT 相机采集并保存一幅校准靶标图像，完成高速相机的校准。以相同方式校准 PIV 相机。
    4. 将校准靶标从流体中移除。
  4. 数据采集
    1. 运行装置（振荡网格），直至达到稳态（约 20 分钟）。
    2. 通过关闭室内灯光并开启 LED 光源设置照明条件。将粒子加入流体中。
    3. 当第一个粒子出现在高速 PT 相机视场（FOV）（实时模式下）时，同步启动两套系统的图像采集。
    4. 将高速 PT 相机 RAM 中的高速图像下载并保存 PIV 相机采集的图像。
    5. 停止装置（停止网格振荡）。

2. 图像分析

注：目前有多种可用于执行 PIV 和 PT 图像分析的软件包——包括商业软件和免费软件。对于 PIV 分析，免费软件代码包括 OpenPIV（http://www.openpiv.net/）和 MatPIV（http://folk.uio.no/jks/matpiv/index2.html）。也有商业公司销售 PIV 分析软件。对于 PT 分析，存在多种二维和三维的粒子追踪代码，例如 Particle Tracker （https://omictools.com/particle-tracker-tool）；各类软件平台的完整列表可在此处找到：https://omictools.com/particle-tracking-category 或 http://tacaswell.github.io/tracking/html/。大多数分析软件包（例如，MATLAB）都内置了工具，可相对容易地实现自行编写的追踪代码。本研究中呈现的结果采用了 OpenPIV、TSI Insight 和自行编写的 MATLAB 追踪代码。

  1. 分析 PIV 图像
    1. 将每幅图像划分为一个查询窗口网格（例如， 64x64 像素2 采用50%重叠的窗口，通过互相关两幅连续的PIV图像来计算每个窗口内的平均流速（即， PIV 图像对），如 PIV 设置部分 1.1.4.2 所述。
      注意：每个窗口中峰值相关的位移与窗口中心之间的距离定义了该窗口内示踪粒子的平均位移。经校准后，将此位移除以连续PIV图像之间的时间间隔（PIV图像对——见步骤1.1.4.2），即可得到每个位置处平面内两个速度分量的估计值。4collectively，这被称为速度矢量图。 interrogation window 的大小决定了 PIV 分析所生成流场的分辨率，因为该距离的一半即为计算得到的速度矢量间距。此间距结合像素到物理单位的转换系数，共同设定了测量流场的分辨率。此外，为了获得较少的错误矢量（见 2.1.2），每个窗口内必须存在足够数量的示踪粒子（至少 8–10 个），且其位移不得超过约 ¼ 至 ½ 窗口尺寸。
    2. 对互相关结果进行滤波，以从速度矢量图中去除虚假结果。
      1. 应用信噪比（SNR）滤波器。通常要求比值不低于1.5（该数值可根据具体实验条件进行调整）。
        1. 将信噪比（SNR）设置为 interrogation 窗口中最高相关峰与第二高相关峰的比值，或最高相关峰与该特定 interrogation 窗口内平均相关的比值。针对每组实验优化 SNR 比值。未能通过此 SNR 检查的矢量数量不应超过 10%。
      2. 使用全局滤波器对剩余的错误矢量进行过滤（在步骤2.1.2.2与2.1.2.3之间，错误矢量比例不超过5%），该滤波器将每个单独的速度矢量与速度场的均值加减三倍速度场标准差的范围进行比较，并剔除超出此范围的速度矢量。
      3. 使用局部滤波器对剩余的错误矢量进行过滤（在步骤 2.1.2.2 与 2.1.2.3 之间，错误矢量比例不超过 5%），该滤波器将每个单独的速度矢量与其周围速度矢量邻域（通常为 5×5 大小）的中值速度进行比较。
        注意：中值滤波的使用及邻域大小的确定可能因具体实验条件而异。
    3. 使用周围邻域矢量（通常为 5 x 5 大小）的信息，将步骤 2.1.2 中发现的错误矢量替换为插值矢量（或邻域中值）。
    4. 确定距离与像素的换算比例。通过分析第1.3.3步中成像的校准靶标上标记之间的距离所对应的像素数量，确定像素与实际距离的对应关系。
    5. 校准矢量。利用步骤 2.1.4 中得到的转换因子以及步骤 1.1.4.2 中设定的图像对之间的时间间隔，将步骤 2.1.1–2.1.3 中计算得到的矢量转换为物理单位，即将像素位移转换为物理单位的速度。
  2. 分析高速图像
    1. 从高速图像时间序列中移除粒子图像测速（PIV）激光照射流场的任何帧。
      1. 对所获取的每一帧图像的强度值进行求和。在粒子图像测速（PIV）激光闪烁的帧中，其总强度值显著高于未激活PIV激光的图像帧。根据总强度设定阈值，将时间序列中总强度超过该阈值的图像帧予以剔除。有关如何最小化此类帧数量的具体指导，请参见第1.2.3.2节。
    2. 使用阈值将剩余的灰度图像转换为二值图像。本例中，采用大津法（Otsu’s method）确定阈值，将颗粒转换为白色，背景转换为黑色。
    3. 对每张图像执行斑点分析。
      1. 在黑白图像中识别连通区域——下文称之为“对象”。通常采用8像素的连通性。
      2. 去除面积小得多的任何物体即， 物体在图像中占据的像素数量比图像中典型粒子的像素尺寸（通常约为3个像素）更大。
    4. 计算粒子轨迹。
      1. 确定第一幅图像中所有（剩余）物体的质心。
      2. 对于每个检测到的物体，在后续图像中搜索同一物体，搜索区域位于前一幅图像中该物体质心附近。若在搜索窗口内仅发现一个粒子/物体，则继续追踪其轨迹，并记录该图像中质心的位置；否则，终止该轨迹。
        注意：搜索区域过大可能导致在后续图像中错误识别粒子，因此应在不引起结果偏差的前提下尽可能缩小搜索区域。如果粒子在后续帧中的位置经常出现在搜索窗口的最大范围内，则说明搜索窗口不够大。
      3. 重复步骤 2.2.4.2，直至在后续图像中无法再找到该物体。当出现这种情况时，视为轨迹终止。
        注意：如果大多数粒子轨迹持续较短（例如， 少于5帧），则该结果可能表明存在显著的三维运动，因而本方法不适用。作为经验法则，粒子轨迹至少应达到 ¼ 粒子追踪视场14；但特定轨迹长度的必要性可能因应用而异。
      4. 从第二帧开始，对在第一帧中尚未被追踪的任何目标重复步骤2.2.4.1–2.2.4.3。对所有可能的起始帧重复此过程。最终将得到贯穿整个实验的粒子轨迹库。

3. 分析

  1. 根据用于PT的高速图像获得的位置轨迹计算粒子的速度和加速度。
    1. 对步骤2.2中整理的粒子轨迹在时间上进行微分（依据步骤1.2.3.2中设定的帧率），以计算各方向上的速度。该时间微分得到的是以像素/单位时间为单位的粒子拉格朗日速度估计值。
      注意：仅当需要获取粒子速度信息时，才需执行此步骤。
    2. 通过将速度从像素/单位时间转换为距离/单位时间，对速度进行标定。转换因子（每像素对应的距离）可通过检查步骤1.3.3中成像的标定靶标上标记之间的距离获得。
  2. 对PIV矢量图进行雷诺分解，以计算湍流相关量。
    1. 对步骤2.1中获得的PIV矢量图中每个位置处采集的所有PIV速度矢量图进行集合平均。
    2. 通过从各矢量图的瞬时速度中减去步骤3.2.1中计算得到的平均值，进行雷诺分解，从而获得湍流速度脉动的时间序列。
    3. 计算感兴趣的统计量，例如湍流速度的均方根（RMS）。或者，也可在粒子轨迹中的精确位置处分析湍流脉动。

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结果

实验装置的示意图如图1所示。该图展示了光源（LED和激光器）的布置方式、视场（FOV）之间的重叠区域，以及视场相对于振荡网格和水槽壁的位置。湍流和粒子的测量按照方案部分所述同时进行。图2展示了瞬时速度和涡量测量结果的示例，以及典型的粒子轨迹。PIV分析结果通过计算湍流脉动的均方根（RMS）进行评估。对于该振荡网格装置，PIV视场内RMS速度脉动的空间平均值大小应随网格频率的增加而增大，且两个速度分量均应呈现此趋势7,15。若未获得此结果，则说明网格装置、PIV设置或PIV分析中存在错误，需重新进行实验。图3提供了不同网格频率下RMS速度脉动垂直剖面的示例，结果显示RMS湍流脉动随网格频率的增加而增大。

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讨论

本文所述方法成本相对较低，提供了一种同时测量颗粒轨迹和湍流的简便方法，以研究流动对颗粒运动学的影响。值得注意的是，对于强烈三维的流动或颗粒运动，该技术并不适用。面外运动将导致二维追踪和PIV分析均产生误差17，因此应尽量减少此类运动。此外，该方法要求被追踪颗粒的浓度相对较低（每幅PT图像中约数十个颗粒）。这一限制至关重要，以最大程度确保在连续图像中追踪的是同一颗粒。若PT相机视场（FOV）内同时存在的颗粒过多，则可能导致轨迹计算不准确、轨迹过早终止，以及PIV图像分析误差增加。因此，该技术难以用于研究与颗粒絮凝相关的问题，因为此类研究通常需要较高的颗粒浓度。最后，该技术最适合追踪较大的颗粒（>50 µm）。被追踪颗粒与PIV示踪粒子（约10 µm）之间必须有足够的分离度，建议至少相差5倍。

在粒子追踪实验方案中，最关键的步骤包括校准、帧率的选择、图像中粒子的浓度以及确保高速图像具有高的信噪比。斑点分析需要将灰度图像转换为黑白图像，然后在此基础上计算粒子的运动轨迹。如果高速图像的对比度导致这种转换困难，则很可能产生轨迹误差，因为...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本工作的部分研究得到了 II-VI 基金会和海岸卡罗来纳大学专业发展资助项目的支持。我们还要感谢 Corrine Jacobs、Marek Jendrassak 和 William Merchant 在实验装置搭建过程中提供的帮助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
光学透镜CVI LASER OPTICSY2-1025-45, RCC-25.0-15.0-12.7-C, PLCC-25.4-515.1-UV其他光学器件公司产品亦可接受。用于生成PIV光片的球面和柱面透镜。
PIV相机镜头NikonNikkor 105mm f/2D其他相机镜头公司产品亦可接受。用于PIV成像的相机镜头。
高速相机镜头NikonNikkor 50mm f/1.8D其他相机镜头公司产品亦可接受。用于高速成像的相机镜头。
双头脉冲激光器QuantelEverGreen: 532nm, 70mJ@15Hz其他激光器公司产品亦可接受。用于PIV的双头脉冲激光器：Nd:YAG
LED线光源Gardasoft Vision, Ltd.VLX2 LED Line Lighting - Green - GAR-VLX2-250-LWD-G-T04其他公司产品亦可接受。用于LED照明的线光源。
PIV示踪粒子/示踪剂Potters IndustriesSPHERICAL Hollow Glass Spheres: 11 mm 平均直径其他公司产品亦可接受。PIV用示踪粒子。
CCD互相关相机TSI, Inc.POWERVIEW 11M: CCD, 双曝光, 4008x2672 像素 @ 4.2 Hz，12位动态范围其他公司产品亦可接受。双曝光CCD相机，用于PIV成像。
高速相机PhotronFASTCAM SA3; Model 60K: 1024x1024 像素 @ 1kHz其他公司产品亦可接受。用于高速成像的CMOS相机。
同步器TSI, Inc.LASERPULSE SYNCHRONIZER 610036其他公司产品亦可接受。用于同步PIV相机与激光器的采集。
标定靶板TSI, Inc.其他公司产品亦可接受。用于图像标定的精密靶板。

参考文献

  1. Maxey, M. R. The gravitational settling of aerosol particles in homogeneous turbulence and random flow fields. Journal of Fluid Mechanics. 174, 441-465 (1987).
  2. Good, G. H., Ireland, P. J., Bewley, G. P., Bodenschatz, E., Collins, L. R., Warhaft, Z. Settling regimes of inertial particles in isotropic turbulence. Journal of Fluid Mechanics. 759, R3(2014).
  3. Ha, H. K., Maa, J. P. Y. Effects of suspended sediment concentration and turbulence on settling velocity of cohesive sediment. Geosciences Journal. 14 (2), 163-171 (2010).
  4. Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S. T., Kompenhans, J. Particle image velocimetry: A practical guide. , Springer. (2007).
  5. Lu, L., Sick, V. High-speed particle image velocimetry near surfaces. Journal of Visualized Experiments. 76, e50559(2013).
  6. Yang, T. S., Shy, S. S. The settling velocity of heavy particles in an aqueous near-isotropic turbulence. Physics of Fluids. 15 (4), 868-880 (2003).
  7. Jacobs, C. N., Merchant, W., Jendrassak, M., Limpasuvan, V., Gurka, R., Hackett, E. E. Flow scales of influence on the settling velocities of particles with varying characteristics. PLoS One. 11 (8), 0159645(2016).
  8. Murray, S. P. Settling velocities and vertical diffusion of particles in turbulent water. Journal of Geophysical Research. 75 (9), 1647-1654 (1970).
  9. Nielsen, P. Turbulence effects on the settling of suspended particles. Journal of Sedimentary Research. 63 (5), 835-838 (1993).
  10. Kawanisi, K., Shiozaki, R. Turbulent effects on the settling velocity of suspended sediment. Journal of Hydraulic Engineering. 134 (2), 261-266 (2008).
  11. Maxey, M. R., Corrsin, S. Gravitational settling of aerosol particles in randomly oriented cellular flow fields. Journal of the Atmospheric Sciences. 43, 1112-1134 (1986).
  12. Melling, A. Tracer particles and seeding for particle image velocimetry. Measurement Science and Technology. 8 (12), 1406-1416 (1997).
  13. Hadad, T., Gurka, R. Effects of particle size, concentration and surface coating on turbulent flow properties obtained using PIV/PTV. Experimental Thermal and Fluid Science. 45, 203-212 (2013).
  14. Adrian, R. J. Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics. Annual Review of Fluid Mechanics. 23 (1), 261-304 (1991).
  15. Shy, S. S., Tang, C. Y., Fann, S. Y. A nearly isotropic turbulence generated by a pair of vibrating grids. Experimental Thermal and Fluid Science. 14 (3), 251-262 (1997).
  16. Dietrich, W. E. Settling velocity of natural particles. Water Resources Research. 18 (6), 1615-1626 (1982).
  17. Huang, H., Dabiri, D., Gharib, M. On errors of digital particle image velocimetry. Measurement Science and Technology. 8 (12), 1427(1997).

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