摘要： 介绍了粒子图像速度场仪（PIV）的特点，结合在水流流场中的实际应用，为CFD实验研究提供了验证的依据。CFD的研究大多采用商用软件和自编程序进行模拟实验,其存在着模型精度及边界条件较难控制，计算结果的准确性难预测等问题，相反通过实验验证的CFD研究较少，通过流场测定精密仪器的使用，为室内气流流动数值仿真实验验证提供了条件，对室内气流研究具有重要意义。

关键词： PIV特点 应用 CFD 验证
1　引言
计算流体力学(CFD)的飞速发展，使其对很多流动状况进行数值模拟，而CFD的研究大多采用商用软件和自编程序进行模拟实验[1]，其存在着模型精度及边界条件较难控制，计算结果的准确性难预测等问题，相反通过实验验证的CFD研究较少，为此我校建立了标准气流室，并先后引进了热线热膜风速仪（HWFA）[2]和粒子图像速度场仪（PIV），通过上述流场测定精密仪器的使用，为室内气流流动数值仿真实验验证提供了条件，对室内气流研究具有重要意义。本文将介绍PIV的特点及应用。

2 　PIV的原理及特点
原理：由脉冲激光源通过柱面镜和球面镜形成的片光源，照亮流场中的一个很薄的（约2mm厚）流场层片；在与片光源相垂直方向的CCD或照相机摄下了流场层片中的流动粒子的图像；然后把图像数字化送入计算机，利用自相关或互相关原理进行图像处理,PIV光路系统图和原理图见图1、图2。

　　
图1 PIV光路　　　　　　　　　　　　　　　　系统图2 PIV原理
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
Fig.1 Light system of PIV 　　　　　　　　　　　Fig.2 Theprinciple of PIV

其特点[3]如下：

（1）PIV能对多种瞬态流场进行测试。比如燃烧火焰场，内燃机，自然对流，火箭发射，尾部流场，火炮发射口流场等等都是典型的瞬态流场。

（2）PIV能测量流动的空间结构。通常只有在同一时刻记录下整个信息场时才能看到空间结构的。如在高湍流流动中，采用整体平均的数据不适合于保持流动中不断改变的空间结构，且平均数据的过程容易引起流动结构图像的消失，只有通过诸如PIV技术才有可能获得流动中的小尺度结构的逼真的图像。

（3）PIV能对某些稳定流场进行测试。实际流动中存在着很多特殊情况，比如狭窄流场，其流动本身是稳定的，但流场狭小，而HWFA（热线热膜风速计）又会破坏流场的状态[2]，此时PIV技术可以大显身手。

经过近十年的发展，二维平面PIV的应用范围已经十分广泛，具体可用于以下研究：1）内流研究（例如各种发动机流场）；2）高速气流的涡流、湍流分析（例如火焰喷射器流场）；3）室内外气流的流场分析（例如空调房间气流场）；4）各种流态的水流分析（例如水泵吸水池流动状态）；5）风洞等大型设备中各种模型状态下的复杂流动（例如低速开口风洞飞机流场）；6）涡流研究（例如搅拌器流场）；7）医学中微循环、血液流动研究（例如人造心脏动脉瘤流场）。

３　相似理论[4]及模型的建立
空调房间经常遇到两股射流对喷而导致气流短路的情况，为了研究两股气流的运动状况，本实验应用水流来模拟气流的流场，下面利用相似性原理来建立模型。

二维稳态层流流动Navier-Stokes方程的无因次守恒形式如下：

连续性方程

，

动量方程

，

。

控制方程分别采用、作为长度、速度的特征尺度进行无因次参数化，其中

无因次变量分别定义如下：

，。Re是控制方程中的影响因子，故有

上式中：

U, V—— x, y方向无因次速度分量， X, Y ——无因次坐标系

P —— 无因次压力， H ——空间高度或特征尺寸

ν——空气的动力粘度， a ——离散方程系数

Re——Reynolds数

4　应用PIV的水流流场测试实验
4.1　实验系统

测试系统为二维PIV系统，实验模型为500×400×200mm的透明玻璃缸。

4.2　实验方案

为了简化实验过程，本实验仅测试两股等速射流对喷的流场情况，具体模型及测试断面见图3、图4。

4.3 数据处理界面及部分结果

数据处理界面及部分结果见图5。

　　　　　　图3 模型示意图 　　　　　　　　　　　　　图4 两股水流对喷矢量图 　　
Fig.3 Sketch of the model Fig.4 Gushing out vectorgraph of two flows

图5 在Y=700 pixel水平断面上速度分布图（用象素表示）
Fig.5 Distribution of the speed when Y=700pixel in the horizontal section

4.4　实验结果说明：

通过模型的建立，可以利用水流来模拟室内气流的流场情况。图5说明PIV 系统能够在不破坏流场的情况下，感受非连续信号，实时的显示出模型流场的流动状况，输出流场中各点的速度分布值，解决了流场测试中由于人和仪器的进入对流场的破坏问题。通过比较PIV测试结果与CFD仿真软件计算的结果，能为CFD的实验研究提供了验证依据。

5　结论
通过对PIV技术的分析，以及结合PIV在实验中的具体应用，可以得出PIV超越了传统的流场显示技术，能够最大限度的提供定性的信息，能准确、详细的提供隐藏的矢量场，能提供关于流场结构的定量信息。但是PIV在测量中也存在着不足之处，如对模型的尺寸大小有要求；对复杂流动中的示踪粒子较难加入且较难拍像等。随着仪器硬件及软件的改善，测试手段和测试经验的丰富，相信PIV能够在更多的领域和大量的科学实践中发挥重要的作用。

参 考 文 献
（１） 王汉青、汤广发等.验证室内空气流动数值仿真的气流标准.2001年湖南省暖通空调制冷学术年会论文集.

（２） 谢东、刘泽华等.热线热膜风速计特点及其应用.《暖通空调》，2002,（6）：118~119.

（３） 盛森芝、徐月亭等.《日新月异的现代流动测量技术》.北京：北京大学出版社，2000.

（４） 曹玉璋、邱绪光.实验传热学.北京：国防工业出版社，1998.

作者简介

谢 东，男，1978年12月生，在读硕士研究生，地址：湖南省衡阳市南华大学建筑工程与资源环境学院，邮政编码：421001，电话：（0734）8282512，传真：（0734）8282141，E-mail：chinadong888@163.com

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