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第八届全国流体力学学术会议 2014年9月18～21日 甘肃兰州 文章编号： CSTAM2014-B01-0209 标题：扫描立体Micro-PIV三维速度场测量算法及数值验证 作者：史飞，麻程健，王昊利 单位：中国计量学院流体检测与仿真研究所 Copyright ? 2014 版权所有 中国力学学会 地址: 北京市北四环西路15号　邮政编码:100190 　Address: No.15 Beisihuanxi Road, Beijing 100190 扫描立体Micro-PIV三维速度场测量算法 及数值验证1） 史飞，麻程健，王昊利2） （中国计量学院流体检测与仿真研究所，浙江杭州下沙高教园区学源街 310018） 摘要 本文针对扫描立体Micro-PIV速度场测量算法进行了研究。利用两台相机二维速度场，对其进行循环交叉计算，获得三分量（3C）速度分布利用典型三维方腔驱动流数值模拟对算法的有效性进行了验证。方腔边长为0.1m，流体介质为水，上壁面以0.01m/s的速度滑动。采用计算流体动力学软件Fluent对该方腔驱动流的三维流场进行数值模拟，提取两组夹角的流体层二维速度场，以此模拟扫描立体Micro-PIV采集的速度信息。根据循环交叉算法，获得一组新的3D-3C速度场。将该速度场与数值模拟速度场进行比对，以此验证算法的有效性。比对结果表明，利用算法编程计算的流场结构与F软件模拟结果吻合良好，所选取代表速度值的相对误差在8%以内。 关键词 扫描立体 Micro-PIV；3D-3C速度场；模拟验证 引 言 三维显微粒子图像测速技术（3D Micro-PIV）是微流体全场测速领域的热点研究方向。将宏观尺度立体PIV原理和Micro-PIV相结合的立体Micro-PIV技术，能够实现微流体的三维三分量速度场测量。Willert等人于1997年开展的立体图像测速系统研究，奠定了宏观尺度立体PIV技术的应用基础[1]。基于多层扫描和立体三维显微测速方法的扫描立体Micro-PIV技术，通过获取每一流体层的两组二维速度分布合成全场三维三分量（3D-3C）速度场。由于该技术对于光学对准和标定技术要求更高，实现起来相对复杂和困难。Lindken等人首次实现立体图像测速技术测量。通过双CCD相机和立体显微物镜，从两个不同的角度对T型微通道交叉区域800×200(m2的层流流动进行测量，获得了3D-3C流场[2]。Bown等人立体测速仪对流场进行立体图像测速实验，并将实验得到的结果与数值模拟结果进行了比较[3,4]Giardino等人[5]。 由于扫描立体Micro-PIV是在多流体层平面交叉二维测量基础上实现的三维全场测量，因此在二维速度信息的提取和全场三维速度的合成算法上具有一定的复杂性。本文针对该算法进行了研究并选取了典型三维流场，利用计算流体动力学（CFD）软件对该算法的可行性和有效性进行了验证。 1 扫描立体Micro-PIV测速原理及算法 1.1 扫描立体Micro-PIV系统原理 扫描Micro-PIV硬件由双显微光路系统、双CCD相机及旋转盘光学扫描变焦装置为主要部件。  图1 扫描立体Micro-PIV系统示意图 1.2测速原理及算法 (1) 单点三维速度的合成 如图2所示，两台相机θ，各自独立进行跨帧粒子图像获取及互相关分析，2D Micro-PIV速度U1和U2。O点三维速度见式(1a)和(1b)。 图2 基于双CCD相机的2D速度测量及3D合成的几何关系 (1a) (1b) 将式(1a)和式(1b)相除，有 (2) ， (3) (4) 该速度大小与方向角(共同构成了该点的三维速度矢量U。(为合成速度与夹角 (2) 全场三维速度的交叉循环计算 双显微粒子图像采集系统每扫描一次都能够在两个物镜轴线方向上同步获得一对二维速度场，利用该二维速度场和流体层平面之间的空间几何关系建立关于被测区域（判读域）流体速度矢量大小和方向的二元方程组，联立求解即可获得该判读域的2D-3C速度场。由于一次扫描的流体层平面仅存在一条交线，仅采用流体层平面的速度场分布无法获得整个流体层平面的2D-3C速度场，因此需要在完成一个扫描周期后获得的全部流体层的二维速度场进行交叉循环计算，完成覆盖全流场的3D-3C速度场构建。图3给出了流体层交叉几何结构。 按顺序对每个交叉点进行编号，根据式(4)单个点速度的关系式，可以得到全场每个交叉点的合成速度Uij，见式(