初識流淌顯示技術

一、定義及討論意義

在我們學習的流體力學問題中，所接觸到的流體介質往往是純色的，而

且大多數是無色、透亮、不會發光的物質，比如：水、空氣等，

人類無法通過肉眼來直接觀看它們的運動狀態U而在流體力學中，我們知道

流線是一個特別重要的討論對象。為了能夠更好的觀看到流體的運動狀態，

尤其是流體繞過靜止或者振動物體時的運動狀態，就需要采納一些有效的方

式來使得流體的運動成為可見，這種顯示技未就叫做流淌顯示技術。

流體力學這門學科是與我們的日常生活息息相關的，在氣象學分析、水

利建設、內河航道及港口建設、軌道交通和航空航天等領域，都需要采用流

淌顯示技術參加討論。推動這一技術前進一大步比較出名的例子是Ludwig

Prandtl在1904年進行的水洞試驗。他設計并采用水洞通過流淌顯示技術來

討論在非定常流中機翼及其他物體其后流體的分別運動。

傳統的流淌顯示技術傳統的顯示技術依據性質可分為：壁面示蹤法、羽

絲法、直接注入法、化學反應法、電掌握法和光學法，這些方法適用于不同

的速度范圍和不同的流體介質。近些年由于相機技術、激光技術、計算機技

術及圖像后處理技術等巨大的進步，促進了新一代的流淌顯示技術的消失和

進展，其中粒子圖像測速技術、激光誘發巧光技術和層析技術為代表。它們

同時能夠對流體進行定性顯示和定量測量，促進/對簡單流淌的討論分析。

在國防武器討論中，流淌顯示技術應用廣泛。在軍用飛機的設計過程中,

設計人員往往需要觀看飛行器I四周氣體的流淌形態和規律，我們可以在風洞

中采用直接注入法法將飛機蒙皮表面的流場顯示出來。

而與我們熟識的很多自然現象也可以用流體力學的學問分析。大家都知道高爾夫

球的表面不是光滑的，而是有很多小坑。這就是討論人員采用流淌顯示技術發覺

了球體繞流的湍流轉振及分別流現象，為了使高爾夫球飛得更遠，討論人員在其

表面添加了一些小坑，使湍流邊界層不易發生流淌分別現象，減小了K行阻力。

二、基本原理

I.PIV技術的基本原理

P1V法是在流場中布撒示蹤粒子，使用脈沖激光片光源照亮所測流場區域，

通過連續兩次或多次曝光，粒子的圖像被紀錄在底片或CCD相機，采納光學楊氏

條紋法、自相關法或相互美法，處理PIV底片或CCD紀錄的圖像，計算出流場中

各點的流速矢量，并計算出其他運動參量（包括流場速度矢量圖、速度重量

圖、流線圖等）。本質上PIV法是基于歐拉法，將每個時間點的不同示蹤粒子

的速度適量測量出來代表粒子所在位置的速度，從而會繪制出H部流場的流線。

2.PTV技術的基本原理

PTV即粒子追蹤測速技術，是通過追蹤單一粒子的軌跡從而計算其速度，屬

于拉格朗日法。粒子追蹤測速可通過兩種方式實現：①分析挨次采集的、曝光時

間較短的多幀圖像數據，匹配同一物理粒子計算其位移（速度）；②計算較長曝光

時間下的粒子光學軌跡長度。盡管后者成本低、實時性強、操作簡便，但其精度

和處理簡單流淌的力量尚未得到認可，目前討論實踐中前者仍占肯定主流。PTV

技術流程主要分為兩部：數據采集、數據處理。①數據采集：PTV測速的硬件系

統由流體通道、示蹤劑或分散相注入設施、九源、圖像采集設施、通信設施等構

成，其中光源和圖像采集設施是核心。光源主要以激光為主，并且常安裝透鏡、

濾鏡和反射鏡等，以滿意對光源波長、方位和外形等方面的要求。圖像采集設施

主要是CCD和CMOS型的各種數字相機，近年為滿意高速流淌測試的要求，噴率

較高的高速數字照相機的應用不斷增加。②數據處理：數據處理主要分為前史理、

粒子匹配和流場計算三部。前處理主要進行對圖像離散噪聲的去除和粒子特征信

息的提取，為其次部粒子匹配做好鋪墊，而粒子的匹配是數據處理效果的關鍵。

由于PTV是基于拉格朗日法的技術，所以在連續的圖形中精確地追蹤

同一粒子很關鍵。簡單理解的是，特征信息越多越能精確追蹤到同一

粒子，但是這樣計算量就很大。現在主要采用位置信息盡相匹配，方法主要有以

下三種：相關類算法、基于接近運動的閱歷算法和整場優化算法。前兩類算法主

要關注局部區域的粒子匹配，第三類算法針對整個測試流場定義了一個與全部粒

子匹配相關的目標函數。③流場計算：盡管現在進展出了很多匹配度很高的算法,

但是難免會有因匹配偏差而產生的錯誤速度矢量，即偽矢量，流場計算就是為了

去除這些偽矢量。偽矢量的辨別通常基于平均值及中值濾波的原則，但是在分散

相條件下難以計算。對此，討論人員提出了很多解決方法。其中西安交通高校的

王元課題組提出了雙向計算法則，有效的降低了偽矢量的比率。此外，連續流場

及導出量的計算也是流場計算的重要方向，當通過示蹤劑測量流場時，往往需

要依據己知點的速度推算未知節點的速度及導出量，我們通常對此進行插值計

算。Libr.y和Young等提出了一種針對三維PTV數據的插值方法，包括粒子的

速度向量估量、子區域的近似函數確定、流場及導出量計算等三個步驟，其核

心是在有限元方法的框架下，得到符合物理和數學約束條件的速度函數。

3.光學流淌顯示

光學顯示法主要包括紋影法、陰影法和干涉法，是通過紀錄穿過測試段光束

的信息來反映所測量流場。由于流體在流淌或傳熱傳質過程中，流場中存在密度

梯度，從而引起流場折射率分布不勻稱，繼而導致通過流場的光束受到擾動。一

般會消失兩種現象：①光束偏離原來方向；②受擾動的光波相位與未受擾動的光

波相位比較發生變化。明影法和紋影法是依據光束通過一個存在密度梯度的流場

時發生偏轉來確定折射率的分布，主要用于流場的定性顯示和分析。在此以燈影

法為例進行說明。光束在穿過測試段時會發生偏轉，因而在觀看屏幕上顯示的光

強就發生了變化，光強發生的變化即光強對比度R,由下面公式計算：①若流場

折射率在y方向上變化時，R<=-Z」粵dz,若流場折射率在x方向上變化時

JLdy~

Rc=-Z,[*z；②若流場折射率在x,y方向箭有變化時，用坐標變換法求得

對比度R與折射率n的二階導數之間的關系。其中Z"為測試段至屏幕間的距離。

陰影法是采用光線通過流場擾動區產生線位移得到圖像的對比度來顯示折射率

分布的。一般來說，陰影法對于氣流密度二階導數的變化量敏感。

三、技術應用及其進展

目前流淌顯示技術在諸多領域得到了廣泛的應用。其中，在多相流的檢測中,

流淌顯示技術起到了很大作用。在兩相流測量中，由于相間存在界面效應和相對

速度，相間界面隨機可變，并且分相流量比與分相占流淌截面比不斷變化，流淌

特性簡單，參數檢測難度大。粒子動態分析儀可以同時給出粒子的速度和粒子直

徑的大小，但是只能給出流場中單點信息，得不到瞬時全場的定量信息。在單向

流全場瞬時定量測量領域已經取得重大突破的PIV技術在兩相流同樣得到廣泛

應用。但是由于受到測量粒子直徑力量的制約，PIV法選擇氣相示蹤粒子有些困

難。現在的討論人員主要通過增設光學設施和進展基于統計學理論和象分析技術

的諸多方法來為解決PIV技術的局限供應新的思路。

【參考文獻】

李俊青.PIV的原理與應用.水利科技與經濟.2022(3)：21-3

金輝，韓艷森.光學流淌顯示的原理及其應用進展.甘肅科技.2005(9)：21-9

代欽，康文.基于圖像分割的兩相流PIV/PTV測量技術.試驗流體力學.2022(6)：

22-2

楊福勝，張早校，王斯民，川口靖夫.粒子追蹤測速(PTV)技術及其在多相流測試中的

應用.流體機械.2022:42-2

崔爾杰,洪金森.流淌顯示技術及其在流體力學討論中的應用.空氣動力學學報.1991

(6)：2-9

王希麟.流淌顯示技術在多相流檢測中的應用.第五屆全國流淌顯示學術會.議

魏益峰，廖海黎.煙跡流淌顯示與PIV技