回声粒子图像测速法

摘要

本文描述了一种能够获取光学不透明流体中或通过光学不透明几何结构的二维速度场的回声粒子图像测速（EPIV）系统，并报道了在管道流动中的验证性测量结果。

摘要

流体流动中质量、动量和能量的输运最终由流体速度场的时空分布决定。¹ 因此，要理解、预测和控制流体流动，前提在于能够以足够的空间和时间分辨率测量速度场。² 对于在光学不透明流体中或通过光学不透明几何结构进行的速度测量，回波粒子图像测速技术（EPIV）是一种有吸引力的诊断方法，可用于生成速度的“瞬时”二维场。^3,4,5,6 本文介绍了通过将商用医用超声设备⁷与运行商用粒子图像测速（PIV）软件的计算机⁸集成而构建的EPIV系统的操作规程，并报告了在哈根-泊肃叶（i.e.，层流管流）流动中的验证测量结果。

在进行EPIV测量时，将相控阵探头连接到医用超声成像仪，通过在不同时间脉冲激励压电探头元件来生成二维超声图像。每个探头元件向流体中发射超声波脉冲，流体中的示踪粒子（自然存在或人为加入）将超声回波反射回探头并被记录下来。反射超声波的幅度及其相对于发射信号的时间延迟被用于生成所谓的B型（亮度模式）二维超声图像。具体而言，时间延迟用于确定流体中散射体的位置，而幅度则用于设定散射体的亮度强度。获取单幅B型图像所需的时间t由对相控阵探头所有元件完成一次脉冲激励所需时间决定。在采集多幅B型图像时，系统的帧率以每秒帧数表示，即(fps) = 1/δt。（有关超声成像的综述，参见文献9。）

对于典型的EPIV实验，帧率通常介于20–60 fps之间，具体取决于流动条件，并需采集100–1000帧显示示踪粒子在流场中空间分布的B模式图像。采集完成后，B模式超声图像通过以太网连接传输至运行PIV商业软件的计算机。利用PIV软件，可获得示踪粒子的位移场， D(x,y)[像素]（其中 x 和 y 分别表示超声图像中的水平和垂直空间位置）是通过对连续的超声 B 模式图像应用互相关算法而获得的。¹⁰ 速度场， u(x,y)[m/s]，根据图像对之间的时间步长和位移场确定， ΔT[s]，以及图像放大倍数， M[米/像素] 即, u(x,y) = MD(x,y)/ΔT图像之间的时间步长 ΔT = 1/帧每秒 + D(x,y)/B，其中 B[pixels/s] 是超声探头扫过图像宽度所需的时间。在本研究中，M = 77[μm/pixel]。 fps = 49.5[1/s]，且 B = 25,047[像素/秒]。获取速度场后，可对其进行分析以计算感兴趣的流动参数。

方案

1. 创建可测量的流体流动

1. 将在甘油水溶液（50% 甘油 - 50% 水）的管道流动中演示 EPIV 验证测量。实验装置的示意图见图 1。
2. 将名义直径为 10 μm 的空心玻璃微球以约 17 重量 ppm 的浓度添加到流体中。这些空心玻璃微球作为超声造影剂，其尺寸和密度的选择使其能够被动跟随流体流动。¹⁰
3. 向泵提供固定电压，以引入已知的流速。选择该流速使得 U << ΔX/δt，其中 U 为管道中的平均流速，ΔX 为 EPIV 测量体积的线性长度，δt 为图像之间的时间步长，即，与超声系统的 fps 相比，流动必须足够“慢”。³

2. 校准超声设备

1. 将超声探头安装到管道外壁。在超声探头表面涂抹水性耦合凝胶，以尽量减少超声波束在探头表面与管道壁之间传播时的信号损失。
2. 开启超声成像设备电源。系统完成加载后，将自动开始实时超声图像采集。
3. 使用超声设备控制面板上的Depth Control（深度调节）旋钮设置图像深度。
4. 使用超声设备控制面板上的2D Gain（二维增益）旋钮设置整体图像增益。

结果

瞬时回波粒子图像测速法（EPIV）矢量场如图3所示。矢量图显示每隔四列的矢量，背景颜色等高线图对应于速度大小。对1000幅瞬时EPIV矢量图进行集合平均后得到的平均矢量图如图4所示。与管流特性一致，速度矢量主要沿流向方向，最大速度出现在管道中心线处，而管道壁面处的速度减小至零。图5显示了速度大小的均方根（rms）脉动值。由于在哈根-泊肃叶流动中，均方根速度应严格为零，因此非零的均方根速度反映了EPIV测量中的噪声水平。靠近上壁面处较高的均方根值是由于超声波束在管壁处发生强烈的反射和折射，导致该区域图像强度较高所致（见图2）。这些靠近壁面的高强度信号会掩盖粒子信号，从而引起测量误差。通过在行方向（水平方向）对集合平均后的矢量图进行平均，得到流向平均速度的壁面法向分布曲线，如图6所示。实心黑线表示在给定实验条件下哈根-泊肃叶（层流管流）流动的理论平均流向速度分布。EPIV测量结果与理论哈根-泊肃叶分布的吻合程度在管道中心线附近最佳，在管道壁面附近最差，其中与理论偏差最大的区.......

讨论

本文介绍了一种回波粒子图像测速（EPIV）系统的操作规程，该系统能够获取在光学不透明流体中或透过光学不透明几何结构的二维速度场。EPIV 的实际应用非常适合研究工业和生物流动系统，因为在许多应用场景中都存在不透明流体的流动。本文所展示的特定系统是专门用于研究在木质纤维素乙醇生产过程中所使用的液化生物质流体的流动特性。通过管道流动中的代表性测量结果，验证了 EPIV 系统的能力。特别是，从 EPIV 矢量场中计算得到了平均速度和均方根速度分布，并成功实现了对哈根-泊肃叶（层流）管道流动的测量与量化。EPIV 的局限性在于其固有的低帧率（受限于商用超声成像系统的成像能力）以及较低的空间分辨率，这限制了可测量的速度范围和瞬态流动行为。最后，尽管我们力求使本文内容自成体系，但仍建议查阅商用超声设备的用户手册⁷ 和 PIV 软件的用户手册⁸ 以获得完整信息。此外，读者可参考文献⁹ 和¹⁰，分别获取关于超声成像基础和粒子图像测速技术的全面综述。

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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
超声波仪器	GE	Vivid 7 Pro
线性超声探头阵列	GE	10 L
直流水泵	KNF	NF 10 KPDC
矢量处理软件	Lavision	DaVis 7.2
后处理软件	Mathworks	MATLAB 7.12
丙烯酸管路	McMaster-Carr	8486K531
超声耦合凝胶	Parker	Aquasonic 100