大型风洞PIV试验的关键技术

岳廷瑞，李付华，张 鑫，覃 晨，张 逊，肖亚琴

(中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳 621000)

0 引言

粒子图像测速(PIV)技术自20世纪80年代问世以来，经过近40年的技术发展，在硬件设备、系统集成和软件算法上取得了大量重要的进步，其成熟的测量技术被国内外研究人员广泛认可并应用到以流体力学为代表的大量研究领域。

在小尺度研究型风洞，大量科研人员采用二维PIV技术、三维层析PIV等技术，深入探索了流动现象，揭示了流动机制，从而催生了一大批创新成果。相比于小尺度研究型风洞，大型风洞的PIV试验相对较少。而开展大型风洞PIV试验对于在高雷诺数下摸清大型飞行器流场演化规律、考核飞行器布局优化性能，推动优化及流动控制技术工程应用具有重要意义。

在国外，美国NASA国家全尺寸风洞(NFAC)中部署了低频PIV系统[1]，试验段尺寸为12 m×24 m×24 m，激光器单脉冲能量350 mJ，测量频率15 Hz，相机分辨率1 100万。NASA3.7 m压力风洞、3.4 m×3.4 m跨声速风洞、2.7 m×2.1 m超声速风洞均部署了低频PIV系统[2-4]。德荷风洞(DNW)的LLF(8米量级)和LST、NWB(3米量级)风洞，均部署了低频PIV系统[5-7]，激光器单脉冲能量600 mJ，测量频率10 Hz，相机分辨率100万。日本JAXA 的LPT1风洞(6米量级)中部署了低频PIV系统，激光器单脉冲能量1 J，测量频率8 Hz，相机分辨率120万。欧洲ETW跨声速风洞试验段尺寸2.4 m×2.0 m也配置了PIV系统[8]。

表1 国内外主要大型风洞PIV应用情况

总的来说，国外PIV技术发展较早，从20世纪90年代就开始从小型研究型设备进入到生产型风洞。

相比于国外，国内大型风洞PIV试验起步较晚。文献[9]将PIV试验应用到汽车风洞中测量汽车周围流场流动状况。文献[10]在中国航天气动院FD-12亚跨超声速风洞开展了超临界翼型小肋减阻的试验验证。文献[11-12]在环境风洞中应用了PIV系统。文献[13-14]在中国空气动力研究与发展中心(以下简称气动中心)低速风洞中开展了相关PIV流场测量试验研究，文献[15]在气动中心8 m×6 m风洞中开展了列车模型流场测量试验。文献[16]对小展弦比飞翼标模在2.4米跨声速风洞中开展了PIV试验。文献[17]在跨超声速暂冲式风洞中开展了PIV试验。表1列出了国内外主要大型风洞PIV应用情况。

尽管国内外在大型风洞开展了一些PIV试验，但大多只是针对具体实验给出了实验方法和结果，对于大型风洞PIV试验的细节及关键问题介绍较少。

本文梳理了大型风洞PIV试验常见的关键问题，提出了相应的解决措施，并列举了典型试验结果。

1 大型风洞PIV试验常见的问题

1)粒子产生及投放问题。区别于小尺度研究型风洞PIV试验，大型风洞测量面积大，在试验时需要大量可持续的示踪粒子，这就给合适的粒子材料选择、流量及浓度的控制、投放位置及方式带来了极大的难度。

2)图像拼接问题。在大型风洞试验中，经常需要拍摄较大的视场范围，比如大于1 m×1 m的大视场，一般一个相机的视场和分辨率不能满足要求，就需要进行多视场的拼接。

3)反光处理问题。在大风洞中，试验模型往往是金属模型，加之测量面积大、激光能量强，片光打到模型表面的反光也就更强烈，反光不仅影响近壁面的测量，而且还会影响周围区域的测量效果。

4)时序调整问题。在大型风洞中，安装的设备往往离测量岗位较远，有时还会安装在高处，调整极不方便，如何快速有效的调整时序也是一个关键的难点问题。

5)设备标定问题。设备标定的准确与否会直接影响测量结果数据的好坏，与时序调整一样，大型风洞与实验室条件完全不同，更需要快速有效的标定方法，以提高试验效率。

图1 大型风洞PIV试验示意图(气动中心5米风洞)

2 粒子产生及投放技术

示踪粒子作为流体速度的代表，其投放效果直接影响了试验测量结果。

流量总量可以用以下公式计算：

式中,qm为材料总流量，S为视场面积，η为有效面积比，v为风速，φ为粒子体积浓度比，ρ为物料密度。

由上面公式可以看出，测量面积越大、风速越高，需要的粒子量就越大。如：大型风洞测量1 m×1 m范围的用量是小型实验设备测量0.2 m×0.2 m范围用量的25倍，一般的小型粒子发生装置如舞台发烟器、Laskin喷管粒子发生器等就无法满足要求。

另外，示踪粒子还需具备良好的跟随性、较高的散射效率、具有良好的物理和化学特性。为此，相关学者做了大量的工作，如文献[18]研究了低速风洞PIV实验中的示踪粒子投放技术，文献[19]开展了高速流动中PIV示踪粒子松弛特性研究，文献[20]开展了高速流动PIV示踪粒子跟随响应特性实验研究，文献[21]研究了示踪粒子发生和布撒问题，均取得了重要的研究成果。

美国NASA、德荷风洞( DNW)等国外大型风洞中也开展了大量的粒子发生及投放技术研究[22-28]，气动中心的战培国对国外大型风洞中的PIV技术应用进行了综述[29-30]，国外大型风洞试验过程中，针对不同的应用在粒子投放方面做了大量的工作。

气动中心研制的基于油基材料加热蒸发的大型粒子发生器，在3米至8米量级风洞中均得到了应用，其中直流式风洞通过排管架投放，播撒面积2 m×2 m，回流式风洞可充满整个风洞循环使用。图2为大型粒子发生器在气动中心8 m×6 m风洞12 m×16 m试验段中布置情况。

图2 8 m×6 m风洞粒子发生器布置图

因此，在大型风洞中，最好采用加压或加热的方式将液体粒子材料雾化或汽化产生示踪粒子，并将其使用排管阵列架均匀的播撒到流场当中。同时应关注以下几个关键问题：

1)粒子材料选择。经过广大学者的经验总结，常用的固体材料主要有Al2O3、TiO2、聚苯乙烯等；液体材料主要有乙二醇、硅树脂油、水、乙二醇/水混合、液态二氧化碳等。需要根据不同的应用场合进行选择，其中固态粒子材料不易挥发，容易造成污染，水及二氧化碳等材料与空气结合后消散较快。针对大型风洞，其测量面积大，大量使用成本高，采用油基材料比如乙二醇加热蒸发的方式可大量持续的供应，是一种较好的选择。

2)流量及浓度的控制。粒子浓度首先要满足每个查询窗体中所需的基本粒子数，一般来讲，单个查询窗中至少需要8～10个粒子，测试精度随粒子浓度的增加而增加，但粒子浓度过高会影响流动特性，出现双向耦合(Two-way coupling)现象。以液体材料加热蒸发为例，产生的粒子总量是由单位时间内消耗的液体量决定的，因此要产生高浓度的粒子，就必须将足量的液体材料加热汽化，对于发生装置本身来说，主要途径是增加加热功率和增大加热面积，提高加热效率，及时的将输入的液体消化。反而言之，如果要控制粒子浓度，就可以通过控制输入发生器的液体流量来实现控制。

3)投放位置及方式的确定。由于在早期修建风洞时，相关流场测量技术还不成熟，又或修建者更关注风洞结构本身的性能，因此并未考虑在风洞结构上安装粒子投放装置，比如在上游蜂窝器、阻尼网或导流片上安装喷嘴阵列来实现粒子的均匀投放。所以目前主要的粒子投放方式都是在风洞内架设排管架，其上布置小孔或喷嘴阵列。

在直流式风洞中，排管架应放置在流场上游尽量少干扰流场的位置，比如蜂窝器、阻尼网之前，如果有负压进气口，可以考虑从进气口吸入，最后考虑放置在试验段上游或试验模型之前。

在回流式风洞中，发生器粒子量足够的情况下，应尽量从下游投放，通过气流循环后再到达试验段时粒子会比较均匀，此时可以不用排管架。

3 图像拼接技术

拼接主要有两种方式，一是粒子图像直接拼接，然后进行速度场的计算，二是首先分别进行速度场的计算，然后进行速度场结果的拼接。

图3 风力机叶尖涡流场拼接结果

文献[31]在风力机叶尖涡流场特性测试试验时采用了数据拼接的方式。拼接过程如图3所示。各窗口重叠部分速度矢量采用3×3网格平均，拼接产生的空白区域用常数填补，将窗口拼接后的数据整合导入TecPlot，得到同一子午面、同一工况下、大范围的叶尖涡流场信息。文献[15]在列车头型气流流动的PIV测量中也用到了图像拼接技术。

图像拼接之前应做图像标定。以两相机拼接为例，首先在标定时需确保相机视场有至少10%的重叠区域，如图4，且相机视场的放大系数保持基本一致，也可认为两个相机使用同样焦距镜头时到目标的位置距离相等且对称。要使用一整块标定板完成两个相机的标定，而不是使用两块标定板分别标定两个相机或移动一块标定板来先后标定两个相机。重叠区域的位置参数将是后期拼接的依据。

图4 图像拼接标定示意图

对比两种拼接方式，一般采用第二种速度场拼接的方式更为准确，主要原因是直接进行粒子图像拼接时重叠区域及两幅图像的边沿部分信息将得到大量丢失，而且在整个图像的插值过程中，同样可能会丢掉大量的真实信息，导致后续的速度场计算误差增大，使用速度场结果拼接时可以避免这个问题。首先计算出各自速度场的结果，然后只在边界区域做插值处理，较好的保留了流场的原始信息。同理可进行多个相机的拼接。

以上是针对多个相机同时拍摄，还有另外一种情况，那就是只利用一台相机通过移动位置拍摄不同时刻的图像进行结果拼接，前提是认为流场是稳定不变化的定常流场。图5～6给出了在气动中心特殊气象模拟风洞的流场测量原理及结果，分别测量14个截面位置后进行结果拼接，单次测量视场大小330 mm×330 mm，重合区域30 mm，总区域大小1 800 mm×900 mm。图4是测量原理图，图5是流场拼接结果云图。

图5 气象风洞流场测量原理图

图6 气象风洞流场拼接结果

4 反光处理技术

在大风洞中，试验模型往往是金属模型，加之测量面积大、激光能量强，片光打到模型表面的反光也就更强烈。如图7所示。从而影响周围区域的测量，尤其是近壁面的测量[32-39]。

图7 近壁面反光示意图

一般采用的方法主要有：将模型表面喷涂黑色的漆、将模型表面处理粗糙、贴黑色或表面粗糙的胶带等方法减小反射等。这些方法虽能在一定程度上减小反光，但其改变了模型物理表面，且效果不明显。

比较有效的方法还有以下几种：

1)增大相机的光圈同时减小激光能量的方法。通过加大光圈增大相机镜头的通光量，可以有效降低所需的激光能量，无需破坏模型表面，从而从源头上减小了反光强度。

2)通过减去初始背景的方式实现。首先在不投放示踪粒子时拍摄激光反光图像，然后在有粒子的结果图像中减去初始反光背景图像。此方法可较好地减轻反光的干扰，但并不能完全去除反光，原因是在投放了示踪粒子后，示踪粒子的反射光会影响图像结果，由于光反射角度不同，图像的不同部位增强强度不一致，部分反光可能会减弱，因此在前后图像相减后可能会导致某些部位图像信息被错误的减去，从而带来新的问题。

3)通过改变相机拍摄角度来避开反光，由于光反射是有一定方向性的，在某些特定方向上最强，只需改变观察角度，就可有效避开反光。图8给出了在气动中心喷流试验设备测量射流冲击平板试验时相机移动前的反光效果，当相机向左移动一定距离后，如图9所示，有效的避开了反光，近壁区域的图像也得以清晰的拍摄。

图8 相机移动前效果图

图9 相机移动后效果图

在这种情况下，相机镜头平面与测量面不一定是平行的，根据沙姆定律，也就是PIV试验中的Schiempflug成像条件可轻松解决这个问题，沙姆定律基本原理图如图10。沙姆定律是指：当被摄体平面、影像平面、镜头平面这三个面的延长面相交于一直线时，即可得到全面清晰的影像。但此时不能用标尺等工具进行线性标定，即使是2D2C测量方式也需要利用标定板进行标定，进行图像变形修正，如图11。

图10 沙姆定律成像原理

图11 标定板图像校正示意图

5 时序调整技术

在开展风洞试验时，经常会遇到时序不同步造成的拍摄图像对不相关的问题，其现象是拍不到粒子图像或不论如何调整dt(一对图像的时间间隔)拍摄的图像对都不相关，计算不出结果或出现明显错误，原因一方面可能来自于设备振动、电磁信号干扰等，这些干扰信号会直接干扰时序控制器的正常运行，另一方面设备由于搬动或使用时间过长也可能会造成时序不同步的问题。

在大型风洞中，试验环境更为复杂，操作更为不便，因此能快速调整好时序非常关键。有效的快速时序调整方法主要有以下两种：

1)结果图像观察法。通过观察A、B两路激光与第1、第2两帧图像的对应关系来直接判断。根据PIV时序的基本原理，如图12，需要在dt时间内的两路激光与两帧图像一一对应，如果时序出现问题导致了结果图像对不相关，那么有可能是都不对应、只有一路对应或两路对应正好相反等情况。这时就需要调整激光或相机的信号延迟时间来进行调整。直接观察法是利用片光打到物体上的反光亮线来判断(此时需注意能量不能过高，相机光圈尽量调小，否则可能损伤相机成像芯片)。具体做法是：设置dt为使用时的较小值(如5 μs)，然后只打开A路激光，拍摄一对图像，观察亮线是否出现在某一帧图像，同样只打开B路激光，再拍摄一对图像，观察结果，根据时序原理图判断可能需要设置的延迟时间，直至A、B两路激光分别被第一、第二两帧图像拍到。可采用极大值与极小值往中间逼进的方法可快速找到合适的延迟时间。

图12 PIV系统简易时序图

2)反馈信号测量法。采用结果图像观察法虽可以快速调整好时序，但采用估算延迟时间的方法不太直观，如果对设备不熟悉，可能会花费较长时间。如果有相关的测量工具，采用反馈信号测量法则更为直观快捷。反馈信号测量法是利用光电探头测量激光信号，同时与相机的曝光输出信号同步通过示波器显示观察的方法确定同步时序。具体做法是：将相机的曝光信号(exposure out)接到示波器的第一路输入(如有多个相机，依次接到示波器测量输入接口)，将两路激光器触发信号输出(trigger out)分别接到示波器第二路和第三路输入(或将光电探头放置在片光可以照射的地方，用以测量激光的出光信号，接到示波器的第二路输入，此时可在一路信号同时测量两路激光的脉冲信号)，通过时序控制器运行激光器与相机，调整示波器，观察测量信号。如图13，可直观的看到，示波器显示了两路信号的时序并且定量测量出了信号的周期及宽度，从上至下依次是相机曝光时间信号、第一路激光脉冲信号和第二路激光脉冲信号。此时根据时序原理将错位的时序通过测量到的错位时间对延迟时间进行修正即可。

图13 示波器测量时序示意图

6 设备标定技术

在正式开始风洞试验之前，我们往往需要对测量结果进行判定，判断测量的结果是否准确合理、符合测量要求。

一般来讲，PIV生产厂家在售出仪器前就已经对其进行了系统标定, 并提出了一个速度精准度的经验指标，但由于各自算法的差异，风洞应用情况复杂，实际的测试误差要比理想环境大的多，因此具体应用之前，首先应当对其测试精准度进行分析。主要包括平时标定和试验时标定两个方面。

1)平时标定。一种是利用计算机模拟生成基准流场研究测量结果误差，另外一种是采用一些不可压缩定常流作为基准速度场，比如标准转速装置，对实际PIV系统测量误差进行估计和分析。

2)试验时标定。在实际风洞试验时，在粒子投放、光路布置以及操作人员安装经验等都可能带来新的误差，因此有必要在安装好设备后进行测试试验。常用快速标定的方法是比对法，一种是利用LDV、热线风速仪等测量设备测量的结果进行比对，另外一种是测量空风洞流场，与风洞给定参考风速做比对。

在大型风洞试验时，由于设备往往安装在洞内或高处，且离操作岗位较远，测量更为不便，因此更加便捷的标定方式是直接测量空风洞的定量结果来判断测量结果是否合理，进而利用比对结果对后续测量数据进行修正。

图14是气动中心某风洞出口纵截面流场结果(风速12 m/s)，矩形框内部为风洞的流场，四周为边界层，可以看出，此流场结果比较均匀，但其测量值与给定风速有误差，可以此计算出其相对误差用于测量数据的修正。

图14 某风洞出口纵截面流场结果

图15是该风洞水平面流场结果(风速62 m/s)，其上下两侧为湍流边界层，中间为均匀的风洞流场，同理可根据此测量结果作为后续数据的修正依据。

图15 某风洞水平面流场结果

7 结束语

以上从粒子产生及投放、图像拼接、反光处理、时序调整、设备标定技术等5个方面探讨了大型风洞PIV试验时常见的关键问题及处理方法，可以得到以下结论：

1)在大型风洞试验中开展粒子投放，应重点解决粒子材料选择、流量及浓度的控制、投放位置及方式等问题，选择经济实用的材料，研制足量可控且可持续供应的粒子发生装置，同时要在适当的位置进行投放。

2)在进行大视场图像拼接时，应选择先分别计算再进行速度场结果进行拼接的方法，并在图像采集前做拼接标定，以获得拼接参数。

3)在反光处理时，应根据实际情况选择最佳的反光处理方法，如选择移动相机的方法，应在图像处理时进行变形修正。

4)在大型风洞中，应掌握快速高效的时序调整及设备标定方法，提高试验效率。

PIV系统是一套较复杂的精密测量设备，其使用过程中会遇到很多的细节问题，需要大量的工程经验积累才能做出好的结果。在具体试验时，还会遇到其它各种各样的问题，比如设备振动、信号干扰、激光能量不一致、镜头对焦不清晰、触发信号异常等，需要根据实际情况进行分析。