粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry,简称PIV技术)最早出现于20世纪80年代中期,是由固体力学中的测量二维平面内形变的激光散斑测量技术引申发展而来,该技术是一种先进的定量流场测量技术,它克服了热线/激光多普勒测速只能测量单点的限制,可以快速准确地一次测量出某一瞬间某个截面的空间流场,获取几千甚至上万个点的速度,得到该截面流场的空间结构和速度矢量场,PIV技术既可测量定常流场又可测量非定常流场,尤其在测量非定常具有复杂时空结构的流场时有着重要的作用,这些技术上的优势是其他技术无法比拟的[1, 2, 3]。
自PIV技术出现至今，已发展并细化出了很多技术分支，可以应用于不同流场测量、甚至噪声等测量领域，诸如2D PIV、Stereo-PIV、Micro-PIV、Time Resolved PIV、Tomo-PIV和Holo-PIV等，其中，Tomo-PIV技术(英文全称Tomographic Particle Image Velocimetry，中文简称层析PIV)是近年来发展起来的一种新型的先进PIV技术，区别于2D PIV(2D2C)和Stereo-PIV(2D3C)，该技术利用三维粒子图像重构、自标定和体互相关算法等，可实现三维立体空间流场的定量测量(3D3C)，能够应用于如湍流、漩涡以及三维流体结构的相互作用等方面的研究。
Tomo-PIV技术自出现以来，受到了国际上有关行业的广泛关注，进展迅速。随着图像处理、三维粒子图像重构等技术和CCD相机、激光器等硬件设备的发展，Tomo-PIV的测量精度和应用技术能力也在不断提升。以德国DLR和荷兰Delft大学为代表，Tomo-PIV技术在国外研究较多，已实现了特定模型复杂三维体空间流场的定量测量，并开展了工程应用研究：如G.E. Elsinga、F. Scarano和D. Michaelis等人应用Tomo-PIV技术对圆柱尾流场进行了试验研究[4, 5, 6]；C. Atkinson与M. Stanislas等对低速平板湍流边界层进行了试验研究[7]；J.M. Foucaut等利用Time Resolved Tomo-PIV在风洞中进行了湍流边界层的测量研究[8]；F．Scarano等利用Time Resolved Tomo-PIV技 术对2种喷嘴结构(Circular和6-Chevron)的喷管出口射流场进行了试验研究[9]等，均取得了具有代表性的研究成果，DNW也将该技术作为未来PIV技术发展的一项重要研究内容。在国内，对Tomo-PIV技术的研究虽然起步较晚，但近几年天津大学的姜楠、北京航空航天大学的高琪等学者的相关研究已取得了一些进展。如唐湛棋、姜楠等[10]对应用时间解析的Tomo-PIV技术在水洞中获取的湍流边界层流动的拟序结构进行了分析研究；贾永霞、姜楠等[11]针对同样的数据研究了调制雷诺应力分量和拟序结构应变率分量在拟序结构猝发过程中的空间相位平均分布形态；高琪、王洪平等[12]通过自主研发的Tomo-PIV技术在有机玻璃水箱内对低速合成射流进行了实验研究，观测到了三维涡环结构的时空演化过程。这些研究成果极大地促进了国内在Tomo-PIV技术本身及其技术应用的发展，然而，在国内风洞中对Tomo-PIV技术的应用研究还很少。
本文开展了Tomo-PIV技术在风洞试验中的应用研究，其目的旨在通过对简易模型的三维流场测量试验，解决Tomo-PIV技术在风洞环境下的相机采集系统布局、体光源引入、示踪粒子投放和现场标定方法等工程应用技术，研究数据处理方法，为飞行器等模型的复杂三维空间流场的定量测量和分析技术研究奠定基础。研究内容主要是设计了12mm圆柱模型，在中航工业气动院的FL-5风洞，应用Tomo-PIV技术对圆柱尾流场进行了测量试验研究，获得了具有典型特征的三维空间尾流场数据，成功实现了Tomo-PIV技术的风洞验证，下文将介绍具体的技术实现方案、数据结果等内容。
1 试验技术与设备 1.1 Tomo-PIV技术简介作为一种真正的三维速度场测量技术，Tomo-PIV采用具有一定厚度的体光源照明一个待测量长方体空间，通常使用4台及以上科学级跨帧CCD相机从不同方向记录长方体内的粒子图像，粒子的速度信息由在顺序2次曝光时刻重构出来的粒子三维图像的互相关处理得到，可以获得高分辨率速度场，真正实现体空间内的速度测量。
图 1为Tomo-PIV的工作原理示意图[4]。测量区域(空间)中的示踪粒子被高能量的脉冲激光源所形成的体光源照亮,与Stereo-PIV的双相机结构类似,粒子散射光被4个不同方位的CCD相机记录下来,为使相机能够聚焦于整个体照明区域,通常选用光圈F#相对较大的相机镜头,并使相机的像平面、镜头主平面和物平面满足Scheimpflug条件,利用从CCD阵列获得的三维光强分布重构出三维粒子分布图像(重构过程通过MART算法[13, 14]实现),其示踪粒子的位移利用顺序2次曝光得到的重构粒子分布图像通过三维互相关算法得到。
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| 图 1 Tomo-PIV工作原理示意图 Fig 1 Principle of Tomo-PIV |
(1) 风洞：试验在中国航空工业空气动力研究院FL-5单回流式开口低速风洞中完成。FL-5风洞为圆形剖面试验段，直径1.5m，长1.95m，试验段有效截面积1.76625m2，空风洞最大来流风速V∞=53m/s，风洞平均湍流度0.19%，试验段轴向静压梯度0.0055，风洞落差系数1.0,如图 2所示。
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| 图 2 FL-5风洞 Fig 2 FL-5 wind tunnel |
(2) Tomo-PIV测量系统：使用LaVision公司的Tomo-PIV产品，整套系统主要由4台分辨率为4M的CCD相机、单脉冲能量为200mJ的双脉冲激光器、PIV系统控制器、三维标定组件、体光源形成组件和示踪粒子发生器等设备及Davis 8.1处理和分析软件组成，具有2D PIV、Stereo-PIV和Tomo-PIV测量等功能。
(3) 试验模型：试验中测量对象为圆柱模型，不锈钢材质，直径12mm，长1m，采用两端支撑的方式固定于风洞试验段中央。
2 试验方法图 3为Tomo-PIV试验方案示意图，由激光器输出的激光光束经体光源形成装置及可调光阑形成边界规则的体状光源后再以反射的方式射入测量区，由4台CCD相机组成的采集系统通过光学导轨和支架安装于风洞试验段上方，分别从不同方位进行粒子图像的记录，通过系统控制器实现整套Tomo-PIV系统的同步控制和数据获取，试验风速为V=15m/s，数据采集帧率7.227fps，相机采用85mm焦距的Nikor镜头，采集时光圈F#=11。
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| 图 3 Tomo-PIV试验方案示意图 Fig 3 Tomo-PIV experimental arrangement |
Tomo-PIV测量试验中需要将激光通过专用装置形成体状光源，体光源的厚度和尺寸通过光学柱面镜片组进行调节，由于激光光束的高斯分布特性，在测量区前端还需要通过可调光阑对体光源进行边界约束，使之锐利清晰，再利用安装于风洞试验段底部的45°高能激光反射镜将体光源引入测量区。
2.2 相机采集系统布局与标定方案相机采集系统由4台CCD相机组成，为能够获得较好的粒子图像强度，利用光学导轨将采集系统安装于风洞上方，使4相机均接收前向散射光，相机两两分别位于测量区厚度方向的两侧进行数据采集。
采用双平面三维标定板进行相机系统的标定，标定板通过安装于风洞试验段上方的可调节支架固定，根据体光源的引入位置精细调节标定板，因相机分别位于体光源厚度方向的两侧，故应使标定板中央剖面恰好处于体光源厚度方向(z向)的中央区域。图 4为相机系统和标定板的安装图。
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| 图 4 相机采集系统标定 Fig 4 Acquisition system calibration in wind tunnel |
在PIV试验中示踪粒子的选择是十分重要的,一方面粒子要有一定的大小来增加光的散射,增强图像对比度;另一方面粒子又要足够小,以保证它具有良好的跟随性[15],使粒子能真实地反映流体的流动,所以示踪粒子的选择是PIV试验成功与否的关键之一。本期试验中,选择橄榄油作为示踪粒子介质,采用压力雾化的方式在试验段后方将粒子投放到风洞中,粒子投放的浓度可通过供气压力进行调节,方便控制,粒子流经整个风洞回路后进入试验段,这种方式可使粒子均匀布撒于测量区,且粒子投放装置安装于试验段下游对模型干扰较小。此外,以橄榄油作为示踪粒子比较环保,对人体无害,雾化后的粒子可在空气中悬浮1h以上,粒子发生器喷嘴流量为0.7~1.3L/h,粒子粒径为1~2μm,平均每次数据采集仅需要启动发生器几十s的时间,用量很小,对风洞洞体几乎没有污染。
3 试验结果与分析本次Tomo-PIV测量试验使用Davis 8.1采集与处理软件，采用FastMART重构算法以及直接体互相关算法计算得到模型尾迹的瞬时流场结构，体查询区选择48×48×48voxels，重叠步长选择75%，测量范围约95mm×70mm×8.5mm，在顺气流方向上的尺度大约为圆柱直径的8倍，粒子图像的空间分辨率达到20pixels/mm，矢量密度约2points/mm，数据的后处理与显示采用Tecplot软件完成。
测量结果如图 5~7所示,给出了圆柱模型尾流场卡门涡的二维和三维结构,测量位置为圆柱后方5mm之后。图 5显示了4个不同时刻体测量区中间剖面位置的二维涡量结果,图中可看到不同时刻旋涡的演化状态,交替出现的红色与紫色区域显示了圆柱尾流上下方形成的具有一定规则的、交叉排列的涡列,并沿下游方向有扩散的趋势,这与流体力学中圆柱尾迹卡门涡街的理论相一致。图 6给出了绕z轴的三维空间尾流场涡量等值面结果,图中标号1、3、5的涡量为顺时针方向旋转(负涡量),2、4涡量为逆时针方向旋转(正涡量),从中可清晰地看到测量体空间内的三维旋涡分布情况,图中最右侧边缘出现的较杂乱涡量区是由于测量区边界的粒子图像强度较弱而导致的计算误差。图 7为瞬时三维空间涡量场的交互分割显示(断层显示)效果,表现了体测量区的绝对涡量场,可看到任意一个断面上的流场分布情况。试验表明,Tomo-PIV技术可获得真正意义上的三维三分量的体视流场结构,与常规的2D PIV或Stereo-PIV相比,所能够获得的数据信息量远大于后2者。
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| 图 5 不同时刻某二维剖面的涡量图 Fig 5 Vorticity-z[1/s]at different times |
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| 图 6 圆柱三维尾流场涡量等值面图(绕z轴) Fig 6 Instantaneous vorticity iso-surfaces(vorticity z[1/s]) |
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| 图 7 圆柱尾流的三维涡量场(断层显示) Fig 7 Instantaneous vorticity data (|vorticity| [1/s]) |
本文应用Tomo-PIV技术在FL-5风洞对12mm直径圆柱模型的尾流场结构进行了测量试验研究，获得了体视三维空间流场测量结果，实现了Tomo-PIV技术的风洞试验验证，为该技术在风洞中的进一步应用研究奠定了基础，试验中，测量体尺寸达到95mm×70mm×8.5mm，数据清晰地显示了圆柱尾流卡门涡结构，分辨率达到20pixels/mm，矢量密度约为2points/mm，相比常规PIV技术，获得了更加丰富的体流场信息，该技术可为湍流、多涡系干扰等复杂三维流场的研究提供有效地测量手段。
但在实际工程应用中，还有一些技术问题需要解决，比如，在测量距离模型较近的区域流场时如何避免或减少模型背景散射光对粒子图像的干扰，抑制背景噪声，以及如何通过数据后处理与分析技术在所得数据中提取更多有价值的信息等等都需要进一步的研究。
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