Name: 流成像技术同时测量湍流和粒子运动学 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-03-12T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 53 s
Description: 学习使用粒子图像测速技术同时测量湍流和粒子运动学的方法。该技术利用高速相机和激光光源，在低颗粒浓度流动中实现非侵入式光学测量，为流体动力学和沉积物行为研究提供经济高效的解决方案。

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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。

<ol><li>Maxey, M. R. <a target="_blank" href="https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mechanics/article/gravitational-settling-of-aerosol-particles-in-homogeneous-turbulence-and-random-flow-fields/2B97656A8ACDA551DCDE27AD7BA8B803">The gravitational settling of aerosol particles in homogeneous turbulence and random flow fields.</a> Journal of Fluid Mechanics. 174, 441-465 (1987).</li>
<li>Good, G. H., Ireland, P. J., Bewley, G. P., Bodenschatz, E., Collins, L. R., Warhaft, Z. <a target="_blank" href="https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mechanics/article/settling-regimes-of-inertial-particles-in-isotropic-turbulence/522507173B16D8A91F7A911582628E9A">Settling regimes of inertial particles in isotropic turbulence.</a> Journal of Fluid Mechanics. 759, R3(2014).</li>
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<li>Huang, H., Dabiri, D., Gharib, M. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-0233/8/12/007/meta">On errors of digital particle image velocimetry.</a> Measurement Science and Technology. 8 (12), 1427(1997).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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（&#62;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...

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&#34;颗粒&#34;，将用于PIV技术的示踪粒子称为&#34;示踪粒子&#34;；此外，将用于高速成像颗粒轨迹的相机称为&#34;颗粒追踪&#34;、&#34;PT&#34;或&#34;高速&#34;相机，用于获取&#34;高速图像&#34;，而将用于PIV方法的相机称为&#34;PIV相机&#34;，用于获取&#34;图像&#34;。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。

<table><tbody><tr><td>光学透镜</td><td>CVI LASER OPTICS</td><td>Y2-1025-45, RCC-25.0-15.0-12.7-C, PLCC-25.4-515.1-UV</td><td>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。</td></tr><tr><td>PIV相机镜头</td><td>Nikon</td><td>Nikkor 105mm f/2D</td><td>其他相机镜头公司产品亦可接受。用于PIV成像的相机镜头。</td></tr><tr><td>高速相机镜头</td><td>Nikon</td><td>Nikkor 50mm f/1.8D</td><td>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。</td></tr><tr><td>双头脉冲激光器</td><td>Quantel</td><td>EverGreen: 532nm, 70mJ@15Hz</td><td>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</td></tr><tr><td>LED线光源</td><td>Gardasoft Vision, Ltd.</td><td>VLX2 LED Line Lighting - Green - GAR-VLX2-250-LWD-G-T04</td><td>其他公司产品亦可接受。用于LED照明的线光源。</td></tr><tr><td>PIV示踪粒子/示踪剂</td><td>Potters Industries</td><td>SPHERICAL Hollow Glass Spheres: 11 mm 平均直径</td><td>其他公司产品亦可接受。PIV用示踪粒子。</td></tr><tr><td>CCD互相关相机</td><td>TSI, Inc.</td><td>POWERVIEW 11M: CCD, 双曝光, 4008x2672 像素 @ 4.2 Hz，12位动态范围</td><td>其他公司产品亦可接受。双曝光CCD相机，用于PIV成像。</td></tr><tr><td>高速相机</td><td>Photron</td><td>FASTCAM SA3; Model 60K: 1024x1024 像素 @ 1kHz</td><td>其他公司产品亦可接受。用于高速成像的CMOS相机。</td></tr><tr><td>同步器</td><td>TSI, Inc.</td><td>LASERPULSE SYNCHRONIZER 610036</td><td>其他公司产品亦可接受。用于同步PIV相机与激光器的采集。</td></tr><tr><td>标定靶板</td><td>TSI, Inc.</td><td></td><td>其他公司产品亦可接受。用于图像标定的精密靶板。</td></tr></tbody></table>

利用流动成像技术同步测量湍流与颗粒运动学

Simultaneous Measurement of Turbulence and Particle Kinematics Using Flow Imaging Techniques

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。

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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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。

科学与工程领域的许多问题都涉及对湍流中颗粒运动学的理解，例如污染物、海洋颗粒……

工程学和自然科学的众多领域均涉及与流体颗粒相互作用相关的问题。该方法提供了一种相对低成本、非侵入性的同步光学测量手段，可同时测量颗粒运动轨迹和流场速度。本文中，我们测量了湍流中沉积颗粒的沉降速度，从而能够在同一位置对颗粒运动轨迹进行详细表征的同时，同步测量湍流速度。开始进行粒子图像测速仪的设置时，将一个双头高能脉冲激光器水平固定在光学平台上，并与流动装置对齐。在激光器光路中放置一个柱面透镜，以产生一个位于振荡网格下方的二维平面光。然后，在柱面透镜后方适当距离处安装一个球面透镜，以生成厚度为5到1毫米的光片。接下来，将双曝光CCD相机垂直置于光片平面，用于记录PIV图像。在相机上安装镜头，打开电源，并将其设置为自由连续模式。粗略地将PIV相机对准湍流实验装置进行聚焦。调节光圈和相机位置，直至图像小于或接近所需光片边界。然后关闭相机，打开激光器并调至低强度。确认光片与地面垂直，随后将带有网格标记的校准靶精确放置在光片中心。必须确保PIV相机与光片垂直，且光片与地面或实验装置底部垂直。对准偏差会导致速度投影错误，从而引起流体速度测量误差。关闭激光器，然后重新打开相机。将相机对准校准目标并拍摄单张图像。在图像处理软件中打开该图像，确认目标上的行距、高度和列间距保持一致。角标记的尺寸差异不应超过一个像素，理想情况下应完全相同。如果图像满足这些标准，则移除校准目标。安装网格，启动设备，然后向流体中加入约一汤匙量的粒子图像测速（PIV）示踪粒子。继续操作前，请等待示踪剂与流体充分混合。然后打开激光器，并将其设置为外部控制模式和高功率模式。关闭室内灯光，采集一对图像以评估示踪剂密度。逐渐以茶匙为单位增加示踪剂浓度，直至达到所需的视觉密度。然后将PIV相机的帧率设置为尽可能高的值，并设定连续PIV图像之间的时间间隔。确认激光器已正确配置。然后关闭光源，以自由模式采集几秒钟的数据。对图像对进行互相关分析，并确认所获取的数据质量良好。完成时停止网格振荡。开始设置二维粒子跟踪时，将单色LED线光源放置在振荡网格装置下方，使光片位于LED线光源的中心。打开LED线光源和低功率激光器，确认光片与线光源对齐良好，然后将其关闭。接下来，将一个镜头连接到用于粒子追踪的CMOS高速相机上。将相机开启至自由连续或实时模式，并对感兴趣区域进行粗略聚焦。调整粒子追踪相机的光圈高度和距离，直到感兴趣区域位于其视场范围内，且相机与线光源保持水平并垂直。关闭相机。打开线光源，将校准靶标置于线光源中心。然后关闭线光源，打开相机，并将相机对焦于靶标。拍摄校准靶标的图像，并确认粒子追踪相机处于水平状态，与靶标垂直，对焦准确，且边缘无图像畸变。随后移除校准靶标。然后设置将要采集的高速图像数量。根据预期的粒子速度，将帧率和分辨率设置为使粒子在图像间的位移达到3到10个像素的数值。安装网格，打开LED线光源，并关闭室内灯光。启动网格振荡，并将少量目标粒子引入流动中。当颗粒在高速相机中出现时，捕获若干帧图像。颗粒轨迹在图像中必须清晰可见，以表明颗粒保持在焦平面内且不频繁重叠。若无法满足这些条件，将导致无法准确追踪颗粒。确认无明显入口效应，颗粒重叠现象不常见，且颗粒运动主要在平面内。完成后停止振荡。开始最终校准前，在灯光调暗的条件下，将校准目标置于LED和激光光片内。关闭激光器和LED，打开室内灯光。确保校准目标在相机视场内聚焦，并且具有两个相机均可识别的唯一标记。在两个相机上分别拍摄校准目标的图像。注意观察独特标记的相应位置，并确认摄像头仍保持水平，且边缘无任何畸变。然后移除校准目标，安装网格，并启动振荡。让系统运行至少 20 分钟，以使流场达到稳定状态。然后使房间变暗，打开LED线光源，并将粒子引入流动中。当粒子出现在粒子追踪相机的视场（FOV）中时，同时启动激光脉冲并开始两个系统的图像采集。数据采集完成后，保存图像并停止网格振荡。分析流速分布和粒子轨迹。PIV 图像可被处理为瞬时流体速度和涡量分布。此处将流体速度矢量分布叠加在涡量彩色图上。通过该设置，PIV视场内流体速度均方根波动的空间平均值的幅值应随振荡频率的增加而增大，且该现象在水平和垂直速度分量中均应出现。粒子的轨迹和速度可通过高速粒子追踪图像确定。粒子速度的分布应大致呈高斯分布。较大的不规则形状颗粒通常表现出比更小的球形颗粒更大的速度分布标准差。尽管随着网格振荡频率的增加，这两类颗粒的速度分布均显示出更高的平均垂直速度和更大的标准差。通过颗粒轨迹确定的合成颗粒、工业砂以及本地采集砂的滞止流沉降速度，与迪特里奇（Dietrich）曲线大致吻合。在后续分析中进一步探讨了颗粒沉降速度随网格振荡频率增加而增大的趋势。由于两种成像技术之间可能存在相互干扰，导致测量不准确，因此对颗粒动力学和流体动力学（特别是湍流）进行同步光学测量具有挑战性。对于强烈三维的流动，该技术并不适用，因为面外运动将导致二维追踪和颗粒测速分析均产生误差。被追踪粒子的浓度必须相对较低，以最大程度确保在连续图像中追踪的是同一个粒子。此外，PIV示踪物与被追踪粒子在尺寸上必须有足够差异，以便区分。流动速度信息与粒子轨迹的整合方式取决于具体研究内容。例如，该方法还可以分析粒子运动轨迹上特定时间点的流动速度。该技术已通过泥沙输运实验得到验证，这是运动科学领域的一个应用，但在流体流动与天然或人造颗粒相互作用的许多其他应用中也同样适用。

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