基于3D立体PIV的管道流量计

       粒子成像测速（PIV）是一种强大的光学测量技术，自80年代后期引入以来，受到了广泛的关注和使用。它是一种强大的定量测量技术，它依赖于距离随时间变化的基本原理来产生速度，通常沿着特定流动中的二维薄片。PIV与激光多普勒速度测量（LDA）技术的不同之处在于，使用PIV确定流动中许多点处的同时速度，而对于LDA，仅探测流动中的一个点。

       PIV相对于LDA的这种优势使其成为流量计量实施的理想选择，因为在这种应用中，通过具有某些横截面特征的管道的流体整体速度受到主要的关注。理想情况下，人们希望通过沿着管道的横截面积分速度的流动分量来获得整体速度值，并且由PIV产生的同步空间分辨的速度信息非常适合于执行这样的任务。

       本文讨论了PIV方法和技术的实施，以测量管道横截面的速度，依靠PIV的立体原理来产生速度的所有三个组成部分的信息。然后使用流动的速度分量的积分来确定通过管道的平均速度，从而确定流量。

图6：94个瞬时测点沿管道横截面的时间平均三维流动

结论

·基于Stereo-PIV原理引入的新型流量计量方法。

·该技术成功地应用于测量圆形管道中的流量。

·新技术的优势：

   -对流动无干扰

   -线性相关

   -无需流动调节

·对以下因素不敏感：

   -流动状态，流动型线，漩涡

   -管道直线度，平滑度，长度和圆度

·在确定沿横截面的多个点速度的同时提供最佳的流量解决方案。

测试结构

       实验装置和流动回路的示意图如图2所示。测试部分是铸造的丙烯酸管，标称外径为1¾英寸，壁厚为1/8英寸。测量的管的内径为D = 37.2±0.5mm。工作流体在环境条件下是水，通过泵将其从具有相互连接的进料和返回部分的供应罐中输送。阀门允许在开路或闭路条件下操作流动回路。涡轮流量计位于测试部分之前，用于测量通过回路的总体流量，以与PIV结果进行比较。

图1 流动回路示意图

参考文献

Papadopoulos, G. and Hammad, K. J., "Liquid Flow Measurement via 3-D PIV," Flomeko 2000: 10th International Conference on Flow Measurement, Salvador, Brazil, June 4-8, 2000.

图2： 带有立体3D PIV系统的试验设备

      为了在使用立体布置对测试部分成像时最小化折射效应，将测试部分封闭在填充有甘油的透明三角形外壳内。以这种方式，摄像机通过树脂玻璃平面部分对测试平面成像，该平面部分几乎垂直于视图方向。

      通过人工向流动中加入示踪粒子对于成功实施本文讨论的测量方法是必要的。在本布置中，使用10-μm镀银空心玻璃球作为示踪粒子。

立体3D PIV设备

       图2显示了测量部分的照片以及数码相机的立体布置。管段放置在反射镜上，反射镜用于反射三角形外壳底部的光片。 PIV系统配置如下：

·50 mJ，双腔，迷你Nd：Yag激光器，工作波长为532 nm，脉冲为4至5 nm，一对8位双帧CCD相机，分辨率为1008 x 1018像素

·一对特殊的安装座，允许相机机身相对于镜头旋转，以满足Scheimpflug条件

·60mm Nikkor 镜片

·带通滤波器，波长为532 nm±15 nm

·2200 FlowMap处理器，具有基于FFT的在线相关分析的专用硬件

·FlowManager软件，用于后期分析，显示和3D速度重构

·MATLABâ脚本在线执行速度积分

测量结果

       立体PIV流量计方法的应用在稳定流动条件下得到了评估，其中流动回路在闭路模式下操作。研究了Q = 4.7lpm至Q = 6.5lpm范围内的几种流速。沿着横截面的三个速度分量的典型瞬时测量结果如图5所示。图6中示出了94个测量结果平均值。比较显示，通过对使用立体PIV技术获得的流向速度进行积分确定的流量与涡轮流量计指示的流量符合的很好。

数据采集

       使用FlowMap处理器在线完成来自每个摄像机的一对图像的处理。此外，使用内置的12位模数转换器，通过图像采集同时对涡轮流量计输出的电压进行采样。

       图3显示了用于确定流经测试部分的瞬时流速的处理方案。当一对图像被互相关处理后，就会产生由激光片照射粒子的投射运动二维矢量信息，数据将会被传递到个人计算机，其中使用预定的校准参数来组合信息并生成沿着交叉平面的三维速度信息。随后使用MATLABâ脚本的动态链接来积分沿流动横截面积的速度分量，并产生表示测试部分流速的单一值。瞬时流量在线显示，并存储以进一步统计解释。

图4：在z=0mm处的校准目标物的图像，左右视图对应相应的相机

图3：用于在线确定流量的处理方案

校准

       一个具有被黑点方形填充的白色背景的特殊校准目标物被切割成适合测试部分尺寸的大小。目标物被安装在平盘上，并放置在由激光片位置所确定的测量站。在插入测试部分之前测量每个点的中心间距，并确定为S = 1.35mm±0.01mm。

       为了正确校准立体成像装置，在目标物就位时，测试部分充满水。将目标物移动到围绕z = 0（z = -1，-0.5,0,0.5,1（mm））的5个位置并在每个位置成像。目标的位置精度是立体PIV技术的绝对精度的关键因素，因此需要注意最小化目标位移不确定性。每个摄像机拍摄的测试部分中目标的典型视图如图4所示。

图5：沿管道横截面的瞬时三维速度场：平面外的网状几何表示速度分量大小;平面内的彩色云图显示速度大小分布。