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PIV应用于气液两相流的研究现状 动力工程13-2班 蒋楠 近十几年来，随着激光技术和图像处理技术的成熟，粒子图像测速(particle image velocimetry PIV)技术获得了人们的普遍认可。在能进行相分离的多相流运动中，都可以采用PIV技术来分析其运动规律。作为研究各种复杂流场的一种基本手段，现在已经广泛应用于各种流动中，从定常流动到非定常流动、低速流动到高速流动、单相流动到多相流动等。 气液两相流作为两相流中的一种，广泛应用于能源、化工、冶金，核能、冶金等领域。早在1907年，气液两相流就被用来减少波浪对建筑物的破坏作用。此后，在工程中也得到越来越广泛的应用，如，在河口用气泡幕防止盐水入侵；控制水库和湖泊中的分层结构以及改善水质；加速反应装置中的物质混合、热量交换、以及化学反应过程；在城市河流污染治理中，用纯氧曝气复氧来治理污染河流、消除黑臭。这些工程应用的效果如何，很大程度上取决于气泡运动形态以及分散相和连续相之间的相互作用。然而，在气液两相流动中，气液两相的流速是不同的。在流动气液两相的流动结构又是多样的，而且，带有随机性。因而，要既全而又准确地描述气液两相流体的流动状况是相当困难的。在过去试验研究中，通常，采用热线热膜风速仪（HW FA）和激光多普勒测速仪(LDV)等方法，但这些方法的缺点是只能获得空间单点的信息，而PIV则能获得瞬态的全流场流动状况。因此，采用PIV测试技术研究气液两相流动特性不但具有一定的学术价值，而且，具有实际工程意义。国外许多学者为此做出了不懈的努力。早期的H assand等人对PIV在多相流应用研究做了简要介绍。近几年，PIV技术在气液两相流动应用方而取得了一些进展，还未得到及时的报道。因此，回顾近年来PIV在气液两相流的应用研究具有一定的意义。 近年来，由于图像处理技术的发展和阵列式计算机的产生给图像处理提供了现实可能。PN技术就是在流动显示基础上，充分吸收现代计算机技术、光学技术以及图像分析技术的研究成果而成长起来的最新流动测试手段。它不仅能显示流场流动的物理形态，而且，能够提供瞬时全场流动的定量信息，使流动可视化研究产生从定性到定量的飞跃。 PN技术的基本原理就是在流场中散播一些示踪性与反光性良好且比重与流体相当的示踪粒子，用自然光或激光片光源照射所测流场区域，形成光照平面，使用CCD等摄相设备获取示踪粒子的运动图像，并记录相邻两帧图像序列之间的时间间隔，并对拍摄到的连续两幅PN图像进行互相关分析，识别示踪粒子图像的位移，从而得到流体的速度场. 粒子成像测速的基本原理是基于同一粒子成的2个像间位移与时间的比值得到，而在粒子位移变化足够小的情况下，假设此时速度的大小与方向不变。位移越小，测量精度越高。图像中可分辨的最小距离的取得取决于示踪粒子的粒径、流动速度、两次取像间隔时间及粒子的密度。一旦其他参数选定后，则流速主要取决于取像的时间间隔。这个间隔时间是作用于全流场的。因此，两相粒子成像测速时，受到两相速度滑移范围的限制。 两相流体示踪粒子不同。水平取像时，重的相的粒子容易跑出片光的照射区域，从而很容易造成找不到示踪粒子的相关点。故作两相测量时沿重力方向取像测量相对要容易得多。 示踪两相流体的示踪粒子若光学性能接近，主要靠粒径的大小来区分不同相的粒子。这在成像上没有太大困难。若示踪两相的示踪粒子光学性能不同，则可通过灰度来区分示踪不同相的粒子。反光强度差别大，分辨容易。但差别过大，则不能在同一光学条件下取像。对某一相示踪粒子取像清晰，另一相示踪粒子的图像会模糊不清。必须通过特殊光学镜头处理调试，分别取像再合成在一起。 在试验研究中，还必须考虑粒子浓度问题。当浓度很大时，粒子像会重叠在一起，由于激光为干涉光，所以，在底片上会形成激光散斑而不是独立的粒子像。虽然用激光散斑同样可以测取散斑场的位移，但对于流场而言，由于散斑场的稳定性较差，提取散斑场的位移相对地比较困难。当粒子浓度太低时，粒子对的数口可能太少，结果将得不到足够多点的流速，不能得到足够准确的流速分布。 在两相流图像处理中，与单相粒子成像技术不同，两相PIV技术的一个挑战性问题是如何将连续相和分散相的粒子图像区别开来，其关键在于相分离技术。通常，采用的相分离技术有荧光标记法、粒径分辨法、灰度分辨法、中值滤波法等。通过这些技术方法可以实现相分离。当两相间具有显著的滑移速度时，相关域内可以呈现出2个独立的位移相关峰，在两相间滑移速度较小或两次曝光时间间隔很小时，这2个位移相关峰将非常接近甚至重叠，此时，无法进行两相分离。俩相分离后，采用单相PIV技术即可获得每一相的流速场。其存在的问题和解决的方法与单相类似。对不同的流场可采取不同的算法进行简化，然后，再将两幅图合成起来。 PIV技术