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一种全尺度流场测试新技术——三维粒子成像测

速系统*

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陈玖玖☆，李先庭马晓钧邵晓亮

1，北京市建筑设计研究院2，清华大学

摘要合理的气流组织对创造舒适健康的室内环境、节约空调能耗具有重要意义。本文介绍了一种适用

于全尺度通风房间内流场测试的新型测速系统，此系统利用空间成像和视差原理，仅需两架相机可获得

三个方向的速度分量，测试范围从传统PIV的一薄层拓展为三维空间。通过初步验证，表明此测速系统

对于测量静态和动态物体的空间位置、长度和速度具有较高精度，能满足对通风房间内流场测试的需求。

关键词流场测试；粒子成像测速；验证

1引言

对通风房间而言，合理的气流组织不仅能有效地控制污染物浓度、保证空气品质，同时也是实现室

内热湿环境的最终环节。通风的形式多种多样，从自然通风到机械通风，从传统的混合通风到置换通风

和个性化送风等多种方式，其最终目的都是在室内形成合理的气流组织，保证室内环境的舒适健康。因

此随着人们对室内空气品质和热舒适的广泛关注，通风房间内的气流组织也日益为人重视。研究通风房

间内空气流动的特性和流场的分布情况将有助于指导通风空调的设计，是创造舒适健康室内环境的基

础，对节约空调能耗也具有重要意义。

目前，计算流体力学CFD（ComputationalFluidDynamics，CFD）方法在流场研究中大量应用，但

是由于存在可靠性等问题而备受争议。而另一方面，实验测量有助于揭示空气流动的本质，进而可指导

通风系统的设计，因此近年来通风房间内流场测试技术得到了迅猛发展。粒子成像测速（ParticleImage

Velocimetry，PIV）即是其中一类新技术，它能在不干扰流场的前提下获得流场的瞬时速度分布，因而

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成为各国学者的研究热点。但是目前现有的PIV系统对安装要求非常严格，且测试范围有限，因此

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其应用受到很大限制。

本文将介绍一种新型流场测试技术——三维粒子成像测速系统（VolumetricParticleTracking

Velocimetr，VPTV），此测速系统只需两架普通视野的相机，且对Z方向的位置无特别的限制。与现有

PIV技术相比，VPTV系统的安装得以简化，而测量范围则远远扩大，适合通风房间内全尺度流场的测试

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。目前，清华大学已搭建成VPTV系统，并且进行了初步的测试和验证。

2VPTV的组成

VPTV由四大部件构成：粒子发生系统、照明系统、成像系统、图像和数据处理系统。

2.1粒子发生系统

粒子发生系统的作用是产生和输送示踪粒子，从而将流场可视化。VPTV系统采用氦气充灌的肥皂

泡作为示踪粒子，它具有和空气相近的密度、良好的悬浮性能和合适的粒径，能完全跟随气流运动，在

*国家自然科学基金资助项目），国家十一五科技支撑计划资助课题（2006BAJ02A08）

☆陈玖玖，女，1979年9月生，博士

北京市西城区南礼士路62号3M1工作室，100045

电话：(010)E-mail：chenjj00@mails.tsinghua.edu.cn

不影响流场的前提下能折射照明光线而形成清晰的运动轨迹。

2.2照明系统

照明系统的作用是为测试区域提供均匀的光照，将示踪粒子的运动轨迹从房间背景区分出来。相比

传统PIV，VPTV的照明系统对光源要求大大降低，只需保证测试区域有均匀的光照和足够的光强，以获

得清晰的示踪粒子运动轨迹即可。本系统采用白炽聚光灯作为光源。

2.3成像系统

成像系统的作用是对流场内示踪粒子的运动轨迹成像。采用两台高分辨率的数码相机，其拍摄范围

能覆盖整个测试区域。通过同步控制器，两台相机能同时开启快门，其曝光时间可以根据测试流速的不

同进行调整。

2.4图像和数据处理系统

图像和数据处理系统用于对成像系统获得的图像进行处理分析，提取示踪粒子运动轨迹的坐标、长

度、角度等信息，在对相机进行标定的基