[发明专利]一种基于粒子图像测速技术的简易速度场测量系统

说明书

本发明属于流体力学教学领域，并具体公开了一种基于粒子图像测速技术的简易速度场测量系统。包括示踪粒子、连续激光器、拍摄设备和后处理设备，其中：示踪粒子工作时分散在待测流场中，用于将待测流场的运动近似为粒子运动；连续激光器设置在待测流场的外部，通过发射的激光片光在待测流场内形成测量平面；拍摄设备设置在待测流场的外部，并且与测量平面平行，通过录像记录示踪粒子的运动情况；后处理设备用于处理拍摄设备获得的图像，通过示踪粒子的运动情况获得待测流场的目标速度场。本发明具有结构简单、成本低、安全性高的优势，并且应用范围较广、可移植性强，能够保证学生亲身参与其中并独立进行实验。

技术领域

本发明属于流体力学教学领域，更具体地，涉及一种基于粒子图像测速技术的简易速度场测量系统。

背景技术

流体力学作为许多工科类专业必修的一门专业基础课程，其理论应用行业广泛，实践性强。而实验教学是该课程教学的重要环节，对帮助理论知识的理解和对理论知识的验证具有重要作用，对于分析和解决工程实际问题也有重要的作用。

流体测量是实验流体力学重要组成部分，目前在流体测量领域中发展迅速且应用广泛的技术就是粒子图像测速法(PIV)。PIV技术综合了激光技术、数字信号处理技术、图像处理技术等多种新技术，是研究涡流、湍流等复杂流动结构的有力工具，可获得传统测试技术无法观察到的一些流场的瞬态结构。

目前PIV技术采用的测量系统主要是由跟随设备、成像设备、图像处理设备构成，因其具有结构复杂、价格昂贵的缺点，在高校科研的应用范围较窄，更不适于教学领域。同时高能量的脉冲激光器具有危险性，还为教学过程带来安全隐患，因此为满足高等院校人才培养的要求，应当积极探索和改革流体力学实验教学。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于粒子图像测速技术的简易速度场测量系统，其中通过对关键组件如连续激光器、拍摄设备的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可有效解决速度场测量系统结构复杂、成本高的问题，因而尤其适用于实验教学的应用场合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种基于粒子图像测速技术的简易速度场测量系统，该简易速度场测量系统包括示踪粒子、连续激光器、拍摄设备和后处理设备，其中：

所述示踪粒子工作时分散在待测流场中，用于将所述待测流场的运动近似为粒子运动；

所述连续激光器设置在所述待测流场的外部，通过发射的激光片光在所述待测流场内形成测量平面；

所述拍摄设备设置在所述待测流场的外部，并且与所述测量平面平行，通过录像记录所述示踪粒子的运动情况；

所述后处理设备用于处理所述拍摄设备获得的图像，根据所述示踪粒子的运动情况获得所述待测流场的目标速度场。

作为进一步优选地，所述简易速度场测量系统还包括带通滤光片，所述带通滤光片设置在所述拍摄设备与测量平面之间，用于过滤自然光。

作为进一步优选地，所述拍摄设备的视频帧率优选为10fps～100fps。

作为进一步优选的，所述示踪粒子的数量优选为每个问询窗口10个～15个。

作为进一步优选地，当所述待测流场为气体流场时，所述示踪粒子优选为平均直径1μm～10μm的雾化油滴。

作为进一步优选地，当所述待测流场为液体流场时，所述示踪粒子优选为平均直径10μm～100μm的空心玻璃颗粒。

作为进一步优选地，所述拍摄设备为具有录像功能的手机或相机。

按照本发明的另一方面，提出了一种利用上述基于粒子图像测速技术的简易速度场测量系统进行教学实验的方法，该方法包括如下步骤：

(a)将所述示踪粒子分散在所述待测流场中；