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MicroPIV流场测试技术的研究

罗骏  
【摘要】: MicroPIV是PIV(Particle Image Velocimetry)技术在微流场测试上的延伸和发展,由于该技术不仅有重要的应用背景,而且对流体力学理论的发展具有意义,在国际上很快成为一个研究的热点。本文主要研究微尺度效应以及用于流场定量分析的图像诊断程序设计。 MicroPIV的图像诊断技术原理上和PIV完全一样,只是在显微的放大倍率越来越大时,随着所观测区域的减小,图像中所见粒子数目会越来越少,这时,传统的以区域相关为基础的互相关算法将不能胜任,本文假设这样的情况还没有出现。 PIV测试原理的计算公式,是速度的原始定义:V=[S(t_2)-S(t_1)]/(t_2-t_1)。在相邻两帧图像上,找出相关度最大的两个小区域,用它们之间的距离除以两次拍摄之间的时间间隔,就得到这个小区域在间隔时间内的平均速度,进而得到整个流场的速度分布。粒子图像的匹配算法的主要运算是将两连续的视频图像进行基于快速傅里叶变换的互相关运算,本文详细论述了相关算法的基本原理,它的产生和发展的各个阶段,在比较了各种算法的基础上确立了自己的算法并以C++编程实现。 本文详细论述了MicroPIV技术在国际上的发展历史和研究现状,对微流动的研究和影响因素做了详细的论述分析。本文研究了MicroPIV试验技术的全部过程和技术细节,如现有条件下微型流场的制作工艺、适合测量条件的流场速度、示踪粒子的选择、图像采集的软件接口等,分析了MicroPIV技术的性能参数和重要实验参数的选取。 在完全没有借鉴和经验的情况下,采用图像采集卡、常规摄像头及普通显微镜改装了一台MicroPIV,能够进行低速微流场的观测和测量,取得了进行MicroPTV试验的经验,同时自行设计制作了微流道,在北京立方天地公司和清华大学的帮助下,使用高速摄像机进行了流场拍摄,取得了可信的试验结果,并给予流体力学的解释。试验中,本文首次创新提出在MicroPIV试验中采用参照对象的对比试验方法,为今后的试验研究提供了新的思路。试验证明了以我们自行开发的图像测速技术的实用性和可行性,将对MicroPIV技术的推广起到积极的作用。


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