高频响流场测试TR－PIV系统技术及其应用

陈建民，刘应征，魏润杰

（1.上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室，上海 200240；2.北京立方天地科技有限责任公司，北京100098）

0 引 言

近年来，基于高重复频率激光器和高速相机的高频响TR－PIV（Time－Resolved Particle Image Velocimetry）测试技术的出现为非定常流场的动态测试提供了一种高效的实验工具，越来越受到实验流体力学研究人员的关注。该技术被很好地应用于湍流结构演变的实验研究［1－2］以及数值计算方法的验证［3］。TR－PIV流场测试技术性能的提高在很大程度上与高速相机、激光器和计算机三大关键技术的提高紧密相关。

典型的高频响流场测试TR－PIV系统一般采用可外接控制信号的高重复频率激光器和高速高分辨率相机。然而，实验瞬时过程中产生的大量数据图像文件制约着实验数据采集频率和实验时间。结合作者所在课题组近年来在高频响流场测试TR－PIV系统的实践经验，对三种高速数据存储技术进行了详细介绍与分析，建立了基于PCI－E间接存储技术的TR－PIV流场测试系统并利用该系统对低速循环水槽中自由来流方柱绕流场进行了长时间110Hz连续采样，获取了大尺度相干结构的时空演变特征。

1 高频响流场测试TR－PIV系统技术分析

典型的TR－PIV系统采用可外接控制信号的高重复频率激光器和高速高分辨率相机，并选用适合的高速数据存储技术。在当前技术条件下，TR－PIV流场测试技术性能的提高在很大程度上与高速相机、激光器和计算机技术这三大关键技术密切相关。下面将针对这三大关键技术进行系统的技术分析。

1.1 激光器

高频响流场测试TR－PIV系统需要有很高重复频率的激光器，配合高速高分辨率相机保持同步工作以完成连续图像的采集。脉冲Nd：YAG激光器由于能量输出大，脉冲窄，常见于普通PIV实验中，但其重复频率较低，无法满足高频响TR－PIV系统的测试要求。Nd：YLF固体激光器因其脉冲能量及重复频率较高，非常适合高频响流场测试TR－PIV系统的应用场合［4］。然而，受当前技术条件所限，市场上能提供的激光器功率有限，激光器重复频率越高，单脉冲能量将越低［5］；激光器脉冲能量不足则导致高速相机曝光不充分，使得示踪粒子无法在高速相机芯片上清晰成像。对于大部分低速水流实验而言，拍摄图像间隔在ms级就可满足要求，采用连续式半导体激光器完全配合高速相机可建立低成本的TR－PIV测试系统［6］。

1.2 高速相机

相对于CCD（Charge Coupled Device）芯片而言，CMOS（Complementary Metal－Oxide Semiconductor）相机有更高的像素读取速度，其芯片的每个像素结构简单，能耗低，整体价格也便宜。虽然CMOS相机拍摄的图片质量在高分辨率领域尚无法与CCD相机媲美，暂时还无法完全取代CCD相机的地位，但对于高频响流场测试TR－PIV系统来说，在实验拍摄图片质量允许的情况下一般推荐CMOS高速相机［7］。商业上用于PIV实验的高速CMOS相机在Mpixel下最高帧率已超过7500帧／s，如Photron公司的FASTCAM SA5高速相机在512pixel×512pixel下，该高速相机的帧率甚至达到了25000帧／s，已基本满足大多数流场非定常研究的需要。

1.3 高速数据存储技术

TR－PIV测试系统中的激光器和高速相机等都能从市场上采购得到。然而，受目前总线传输速率及计算机硬盘写入速度的限制（单硬盘数据传输速率一般为10～20MB／s），对于如何实时高速传输和存储实验过程中所产生的大量数据图像，目前尚无比较完善的解决方案。以下将介绍作者课题组所采用和建立的3种高速数据存储技术。

（a）高速相机内存存储技术。采用这种技术进行实验测量时，高速相机首先将图像通过MCDL（Multi－Channel Data Link）存储到高速相机自带内存中，待实验结束后再转存入计算机硬盘进行处理。这种高速数据存储技术适用于那些对拍摄区域空间分辨率和时间分辨率都有很高要求的场合。这种情况下，系统单位时间采集的数据图像量过大以至于在现有技术条件下，一般传输总线均无法满足要求；采集的图像直接存储到高速相机内存中，避开了数据传输总线及硬盘传输速度的限制，从而可以实现很高的图像采集速率。然而，高速相机专用内存相当昂贵；受其内存容量的限制，实验时连续可拍摄时间也很有限。万津津等［8］利用采用该技术的TR－PIV系统对低速水槽中贴壁方柱湍流场进行了实验研究。

（b）磁盘阵列直接存储技术。传统的硬盘直接存储方式受到传输总线特别是硬盘文件写入速度的限制。采用磁盘阵列系统可以成倍提高图像文件的写入速度。余俊等［6］利用空间分辨率和时间分辨率相对较低的CCD高速相机配合磁盘阵列系统进行了这方面的尝试，取得了较好的效果。采用磁盘阵列系统在实验分辨率要求不高，流场速度和特征频率比较低时可以实现TR－PIV测试系统的不间断连续采样。这种方式实现简单，成本也不高。然而，受限于目前硬盘写入速度，即便采用磁盘阵列系统仍不能达到令人满意的数据传输速度。随着计算机技术的发展，已有人提出使用光纤接口的固态磁盘阵列模式，可大大提高数据传输速率。由于目前固态硬盘存在容量小、价格高、安全性较差等缺点尚未得到普遍应用。

（c）PCI－E间接存储技术。该技术采用了最新的PCI－E接口技术，带宽达到了2GB／s，结合Cam－Link技术，可保证高分辨率数字图像的高速传输。考虑到计算机硬盘传输速度的限制，该技术将采集到的图像首先存储到计算机内存中，实验结束后再转存到计算机硬盘里。

作者所在课题组最近采用该技术建立了一套TR－PIV测试系统。该系统选用高速相机为CAMMC1362，分辨率为1280pixel×1024pixel，全画幅最高拍摄频率为500帧／s，系统配置700MB／s的图像采集卡及PCI－E×4总线，与之配合的工作站为HP Z800，计算机内存为96GB。在最高分辨率下，单张图像文件大小约为1.3MB，在此分辨率下全画幅最高拍摄频率500帧／s，系统需要的存储带宽约为660MB。实验过程中，高速相机采集到的数据图像通过CamLink Full（700MB／s）和CamLink Base（200MB／s）双通道传输到图像采集卡（700MB／s），图像采集卡再通过PCI－E4总线（2GB／s）将数据图像传输到计算机内存中，实验结束后再将图像从内存转存到计算机硬盘中。显然，该系统传输带宽能够满足数据图像传输要求。实际操作中，划分了90GB计算机内存给图像存储。当高速相机以全帧满分辨率运行时，可支持系统连续采集图像超过2min。当研究流场流速比较低，对高速相机采集频率要求不高时，则可增加连续采集时间。该系统最大数据传输带宽为700MB／s，与高速相机内存存储技术（2GB／s甚至更高）相比，虽其系统带宽较低，但在满足实验要求条件下性价比更高。相对于磁盘阵列存储技术，该系统对计算机性能要求更高。然而，这种数据存储技术也有其不足之处，数据在内存中缺乏断电保护则更容易发生丢帧现象。

随着计算机技术、图像处理技术等的快速发展，已有研究人员提出采用专用高速采集卡，配合32块光纤接口固态磁盘阵列，不经计算机内存可将采集到的图像数据直接通过写入到计算机硬盘中，为TRPIV高速数据存储技术提供了另一个发展方向。

2 实验应用

2.1 实验装置和技术

实验所用的低速循环水槽及其详细参数参见文献［8］。水槽测试段长1050mm，展向宽150mm，液位高H＝200mm。实验方柱截面边长15mm，展向长150mm，实验时固定在水槽测试段液位中间位置附近。自由来流速度v＝0.09m／s，雷诺数Re＝1350。

实验采用基于PCI－E间接存储技术的TR－PIV测试系统对方柱下游区域进行图像采集。实验中，在满足测量要求的情况下，采集速率设置为110帧／s，采集窗口大小设置为1280pixel×1024pixel。照明光源采用功率为2W的半导体连续式激光器（波长为532nm），测试区激光片光厚度小于1mm，示踪粒子采用密度为1.03g／mm3的空心玻璃珠，粒径为20～ 30μm。实验总共拍摄了52000幅图像，对图像序列中的相邻图像进行互相关分析可获得瞬态速度全场。互相关计算判读窗口大小为32pixel×32pixel，相邻窗口重叠率50%。PIV互相关图像分析采用北京立方天地科技有限公司提供的MircroVec软件，该软件采用图像偏置［9］及迭代算法，同时对速度梯度比较大的区域，采用窗口变形技术，系统计算误差小于1%。在图像分析时，采用亚像素拟合［10］，位移计算结果精度可以达到±0.1pixel。

图1 实验测量区域示意图Fig.1 Schematic diagram of the measurement region

2.2 实验结果和分析

在方柱下游与方柱上沿平行的高度上，对绕流尾迹x／D＝0.25处（见图1）单点法向脉动速度分量的时序信号进行频谱分析，得到该处的功率谱曲线如图2所示。对谱线进行分析，可知在f＝0.75Hz（即St＝0.125）处，功率谱曲线出现峰值，该频率即为大尺度相干结构的脱离频率。

图2 脉动速度场的功率谱Fig.2 The auto－spectrum of fluctuating velocity component

为了分析各种旋涡结构的空间－时间特性，笔者对法向脉动速度进行了时空相关分析。在使用法向脉动速度信号做互相关之前，对信号进行了小波降噪处理。这里选用bior5.5小波函数进行5层分解。通过降噪可以最大限度地保留原始信号中所关心的低频部分而剔除高频部分。然后以x／D＝4，y／D＝0为参考点计算了法向脉动速度在不同时间和不同位置时的互相关系数。图3所示即法向脉动速度互相关系数。从图3中可以明显看到多条明暗相间的条纹等间距分布，这个特征清晰地说明了当地流动中有旋涡结构不断向下游输运。对条纹的分布特征进行计算，可以推断大尺度相干结构在方柱尾迹中的输运速度Uc＝0.43U0。

图3 法向脉动速度时空相关分析Fig.3 Cross－correlation of velocity fluctuations

为了进一步分析方柱绕流尾迹中大尺度旋涡脱离情况，通过相位平均方法去除实验数据中非相干部分，得到所关心的大尺度相干部分［11］。选取了2000个连续瞬态速度场并以其中第一个为参考速度场和所有1999个速度场做全场互相关运算［12］，得到的参考信号如图4（a）所示。图4（b）为提取每一幅瞬态速度场x／D＝4，y／D＝0处的速度矢量v分量得到的一列沿时间序列信号。对比两列信号曲线可以看出互相关系数信号呈明显的周期分布，且该周期分布频率与法向速度脉动频率一致。

以全场互相关系数作为相位识别信号，对2000幅速度场结果进行了相位平均处理，一共提取出8个相位，分别为0～7／8T，如图5所示。由图5可以比较清晰地看出旋涡交替脱落并向下游输送从而形成卡门涡街的整个过程。

图4 互相关系数和单点速度信号Fig.4 Cross－correlation coefficients and single point velocity signal

图5 相位平均速度场Fig.5 Phased averaged velocity field

3 结 论

笔者系统地分析了高频响流场测试TR－PIV系统的三大关键技术，即高速相机、高频响激光器及高速数据存储技术。结合TR－PIV实验系统要求，对商业高速相机和高频响激光器技术的现状进行了介绍和分析。此外，TR－PIV实验过程中产生的大量数据图像文件对实验系统数据传输带宽的高要求，制约着实验数据采集频率和总实验时间两个参数。结合作者所在课题组近年来在高频响流场测试TR－PIV系统的实践经验，对3种高速数据存储技术进行了详细的技术介绍与对比分析。建立了基于PCI－E间接存储技术的TR－PIV流场测试系统，并利用该系统对低速水槽中自由来流方柱绕流场进行了长时间连续采样，采样频率110Hz。对法向速度分量信号所进行的FFT分析以及互相关分析清晰地获取了旋涡结构的变化特征。该研究结果对于集成建立高频响TRPIV测试系统及其应用推广具有较好的指导意义。

［1］ CIERPKA Christian，WEIER Tom，GERBETH Gunter.Evolution of vortex structures in an electromagnetically excited separated flow［J］.Experiments in Fluids，2008，45（5）：943－953.

［2］ SHI Liu－liu，LIU Ying－zheng，WAN Jin－jin.TR－PIV measurement of separated and reattaching turbulent flow over a surface－mounted square cylinder［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2009，24（1）：421－428.

［3］ WANG Z Jane，BIRCH James M，DICKINSON Michael H.Unsteady forces and flows in low Reynolds number hovering flight：two－dimensional computations vs robotic wing experiments［J］.The Journal of Experimental Biology，2004，207：449－460.

［4］ SKEEN Andrew.The development of high－speed PIV techniques and their application to jet noise measurement［D］.University of Warwick School of Engineering，2006.

［5］ New Wave website.http：／／www.samwoosc.co.kr／pdf／new－wave／PV－PEG－DSa4－0311，pdf.

［6］ 余俊，万津津，施鎏鎏，等.基于连续式激光光源的TR－PIV测试技术［J］.上海交通大学学报，2009，43（8）：1254－1257.

［7］ HAIN Rainer，KAEHLER Christian J，TROPEA Cam.Comparison of CCD，CMOS and intensified cameras［J］.Exp.Fluids，2007，42：403－411.

［8］ 万津津，施鎏鎏，余俊，等.贴壁方柱湍流场TR－PIV实验研究［J］.实验流体力学，2009，23（2）：31－35.

［9］ WESTERWEEL J，DABIRI D，GHARIB M.The effect of a discrete window offset on the accuracy of cross－correlation analysis of digital PIV recordings［J］.Experiments in Fluids，1997，23：20－28.

［10］YASUHIKO S，NISHIO Y，OKUNO T，et al.A highly accurate iterative PIV technique using agradient method［J］.Measure Science and Technology，2000，11：1666－1673.

［11］HUSSAIN A K M F.Coherent structures and turbulence［J］.Fluid Mech，1986，173：303－356.

［12］YU Jun，SHI Liu－liu，WANG Wei－zhe，et al.Conditional averaging of TR－PIV measurements of wake behind square cylinder using an improved cross correlation approach［J］.Journal of Hydrodynamics，2010，22（1）：29－34.