1、PIV 數字圖像測試技術及在中間包水模實驗中的應用 丁麗華 張曉光 趙 亮 張海明(鞍鋼股份技術中心,鞍山 114001摘 要 介紹了數字粒子圖像測速技術 PIV 系統的組成及工作原理, 并進行了水模型應用測試及實驗印證, 分析了 中間包內流場的流動特點,預期了 PIV 技術在冶金流場測量應用方面的發展方向。關鍵詞 PIV 水模 中間包 流場Application of PIV Digital Image Testing Technology in Tundish Water Model ExperimentDing Lihua Zhang Xiaoguang Zhao Liang Zhang

2、 Haiming(Technology Center of Angang Steel Co. , Ltd., Anshan, 114001Abstract Introduce components and working principal of digital image testing technology PIV system, and take out water model experiment to conform. Analyze the flow field in tundish, anticipate the development of the application of

3、 PIV in metallurgy flow field test.Key words PIV , water model, tundish, flow field1 引言PIV 技術是 20世紀 80年代末發展起來的一種非接觸式瞬態速度測量技術, 突破了單點測量的限制, 可 同時獲得流場內多點流體或粒子速度矢量。中間包內流場模擬除利用 CFD 技術進行數值模擬外,在物理模 擬方面,利用 PIV 測速技術對其流場進行測試和圖像顯示分析也已在實驗室得到應用,其多點成像、無擾 動流場測試特點正逐漸代替傳統的單點流速測量儀器。本文對中間包內 PIV 流場測速水模實驗應用進行了分析和體驗,以期為相關

4、研究人員提供參考。 2 PIV 數字圖像測試技術2.1 V測速技術特點粒子圖像測速技術 (P 是在流體中投放示蹤粒子,用攝像機或者照相機攝取隨流體運動的粒子圖像來 測量流體速度的一種方法。其技術特點為:(1 由于它以非接觸方式測量流體的瞬時速度場, 測量裝置對流體的干擾幾乎可以不計, 因此測量結果 精度高。(2 它可以將整個流場成像并將流場的全部速度矢量進行細致的描述, 因此人們可以獲得對整個流場的 全面認識,這一特點是其他流體測量技術不可比擬的。PIV 數字圖像測試技術及在中間包水模實驗中的應用它采用脈沖激光光源作為照明,使用球面鏡和柱面鏡等光學元件把激光束轉變為很薄 (約 l 2mm 厚

5、的 片光, 脈動照亮指定流場, 兩脈沖之間的時間可以基于被測流場的特征進行調整。 在與片光源相垂直的方向 上配置 CCD 或照相機攝錄下流場層片中流動粒子圖像,然后利用數據采集卡把圖像數字化送入計算機,應 用自相關或互相關原理進行圖像處理,獲得流場的速度信息。2.2 PIV系統組成PIV 粒子圖像分析系統(以下簡稱為 PIV 由硬件及軟件兩部分組成(見圖 1 。硬件系統配置包括:照明激光器、同步控制器、高速數字相機、圖像采集板和計算機;軟件系統包括:集成化的粒子圖像測速系統, 粒子圖像跟蹤測速系統, 濃度場分析系統, 粒子粒徑分析系統和數字相機控制 系統。 圖 1 PIV硬件系統組成2.3 P

6、IV測速技術原理PIV 的基本原理為測量兩幀圖像的位移 x 和 y ,如圖 2所示。 圖 2 PIV測速基本原理利用成像設備記錄下時間間隔為 t 的兩幀圖像,測量兩幀圖像中同一粒子的位移,最后得出速度信息。 位移要求足夠小,使得塵 x /t 是速度 u 的很好的近似,就是說粒子運動軌跡必須接近直線,并且沿著軌跡 的速度應該近似恒定。3 PIV 系統在中間包水模研究中的應用利用 PIV 測速技術,在中間包底部布置氣幕擋墻的水模實驗中進行了應用。采用氣幕擋墻裝置,在中間包底部某截面通以惰性氣體,在中間包整個寬度范圍內形成一惰性氣體幕, 使鋼水向上運動,更多的夾雜物上浮到鋼水的表面被渣吸收,從而進一

7、步提高鋼水中的夾雜物去除的效率。本水模試驗就是通過安排中間包底部吹氣方式、位置,結合 PIV 系統進行水模型優化試驗研究,促進 夾雜物充分上浮, 其測試得出的鋼中粒子速度場、 渦量場等參數分析對中間包整個流場的定量分析提供了重 要依據。3.1 水力模型的建立試驗模型采用有機玻璃制成,模型比例 1:2,模型流程簡圖見圖 3。 圖 3 中間包水模試驗裝置簡圖1中間包; 2湍流器; 3氣幕裝置; 4電導電極; 5浸入式水口;6轉子流量計; 7水泵; 8 PIV ; 9示蹤劑加入; 10鋼包; 11長水口 中間包中鋼液的流動一般可視為黏性不可壓縮穩態等溫流動。 模擬實驗選用水作為介質。 根據相似原理,

8、 保證與重力有關的弗勞德數相等,即 Fr m =Frs ,得出以下關系式:流速 u m /us =k1/2;流量比 Q m /Qs =k5/2;時間比 t m /ts =k1/2 。式中,下標 m 、 s 表示模型、原型; k 表示比例常數(k=1/2 。在中間包底吹氣實驗中, 流體的流動受到重力、 慣性力和浮力的影響, 所以要考慮氣體密度以及液體密 度的影響,因此模型與原型之間吹氣量的相似轉換應該考慮修正弗勞德準數就能夠保證其動力的相似。即:(m s Fr Fr ' ' =,則: 22g g l l s m u u = (1得出關系式如下: 22441.621.62g g l

9、 l s m Q Q d gl d gl = (2PIV 數字圖像測試技術及在中間包水模實驗中的應用式中 Q m 模型氣體體積流量, m 3/h1; Q s 原型氣體體積流量, m 3/h1;(g m 、 (g s 模型、原型的氣體密度, kg/m3;(l m 、 (l s 模型、原型的液體密度, kg/m3;d m 、 d s模型、原型氣孔直徑, m 。 因為實驗中氣孔直徑與中間包尺寸采用同一比例,所以可得出模型與原型之間吹氣量的關系為: 125( ( ( ( g s m l m s g m l s Q k Q = (33.2 PIV流場測試水模實驗采用 2D-PIV 系統,其數字相機分辨率

10、 4000×2672(11M; 12bit ; 5幀 /s,電子快門曝光時間間 隔 20ms ,脈沖激光器能量 500mJ ,選用 50mm 鏡頭拍攝方式,最大拍攝區域約為 1000mm×800mm。中間包內加入示蹤粒子 (510um , 激光片光源 (片光厚度小于 1mm 對中間包進行雙脈沖照射 (見 圖 4 ,通過高速相機捕捉隨流體流動的粒子,由專用軟件進行圖像處理和分析(見圖 5 。中間包內應用 PIV 進行流場測試分析結果見圖 6、圖 7。 圖 4 PIV測試場景 圖 5 PIV測試圖像分析 圖 6 中包出口處速度場分析 圖 7 中包出口處二維截面流線結果 從圖 6

11、測試結果可看出,在注流量 5.2m 3/h,底吹位置 600mm ,氣量 0.16m 3/h情況下,中間包出口處流 體平均流速 0.02m/s,液面最大流速在底吹氣液面附近,可達 0.08m/s(換算成實際 0.11m/s ,圖 7測試結果 顯示, 在斜坡與出口上方形成多個旋渦相互交錯的粒子流動跡線, 表明氣幕擋墻對流體流動確實起到了向上引導的作用。 圖 8 中間包流場流動狀態由圖 8所示的試驗過程錄像觀察, 在氣體的吹入位置, 形成了氣泡幕, 氣泡和鋼液之間的剪切力改變了 鋼液的流動方向,在氣幕墻的兩側分別形成了兩個方向相反的回流區。回流區的渦心位置靠近中間包底部, 增加了鋼液的混合程度, 有利于夾雜物的碰撞長大。在靠近液面處, 鋼液的速度較小,不易引起表面卷渣現 象。4 結論(1 PIV 數字圖像測速技術可滿足一定區域流體視場多點流速測定,對流場的物理模擬提供了非接觸、 精確的測試手段。(2采用 PIV 進行氣幕擋墻優化的測試分析,直觀、定量地得出了中間包內粒子速度場分布、方向和 大小,對液面流動,夾雜物上浮及旋渦的形成進行了準確的分析。(3傳統的水模實驗錄像結