请教水槽（底部不透明）PIV使用中的有关问题

小马哥1982

各位同行、朋友，你们好！
    第一次使用PIV过程中遇到一些问题，恳请大家帮忙，提意见和建议！先谢谢了！
    试验目的：利用PIV测量水槽中垂线的流速分布（水槽宽度方向的中部，从水槽底到水面的流速分布情况）
    试验水槽基本情况：水槽长40m，宽、深均为0.8m，水槽两侧为玻璃面，底部为钢板，水槽供水是通过水泵从容积为50m3的水库里抽水到平水塔，再由平水塔到水槽，进口流量的控制由电磁流量计控制。
    PIV使用中的有关问题：
    1、激光打到水槽的方向问题。据我所知，用PIV试验的水槽都是尺度比较小，水槽侧面和底部都是透明的，激光一般从底部打上去。而我的水槽底部是钢板，不透明，试验中水槽底部还要铺砂，这样的话打激光是不是就两种方向：①从水面上部往下打。但试验中的水面一般存在波动，尤其是大流速情况下，水面波动大，激光能量损失大，这样CCD拍摄的粒子图像可能不清楚。②将激光头放入水中，从下游往上游打。这样的话激光在水中传播，能量消耗也很大，我测量时激光头放在测流位置的下游1.5m处（该处是片光源最薄的地方）。不知道这两种方法哪种更合适，有什么需要注意的，针对这种水槽是不是还有更合适的方法？
    2、粒子粒径分布对试验影响的问题。目前使用的是空心玻璃微珠，据说河北工业大学研发了一种具有非球形大表面积结构的示踪粒子，比空心微珠具有更强的反光效果。但听说这种粒子粒径分布较广，也就是说一个样品中大小粒子都存在，粒子粒径分布广对试验结果有影响吗？有什么影响？
    3、如何撒粒子保证水中粒子连续均匀的问题。我试验中的水库较大（50m3），撒粒子的方法我想到了两种：①直接将溶化后的粒子放到水库中，即进入到水槽中的水本身就含有示踪粒子，但这种方法需要粒子的数量很大，1m3中大约撒多少粒子比较合适?②在水槽上游的进口人工撒，这种撒粒子要保证水流中的粒子均匀感觉很难实现，大家有没什么建议或者经验？
    4、PIV处理出来的数据的精度问题。听人说使用PIV得到的流场，定性上没什么问题，但定量上并不可靠，不知是不是有这样的说话，因为我试验的目的是想进行定量分析的
    问题比较多，麻烦大家多提宝贵的意见和建议啊！谢谢了

cuijinsheng

1.的确，从水槽下方向上打光是最好的，但是从水面上向下打光也不是不可以，我们实验室试过从水面上打光，水面也有波纹（流速0.3 m/s），你需要把激光光强尽量调大，并注意问询窗大小的选择；
2、3.你不是水槽底面铺沙子吗？你可以先试一下较大流速将沙子搅起来，然后在你需要的流速下做PIV，这时部分细小的砂粒就可以充当示踪粒子，我们做过（中径0.3 mm），效果还不错；
4.（等专家来解答）

SKLCC虫草晶

4. 高解析度PIV，在壁面附近的测量精度已经接近LDA，这在90年代初Adrian教授课题组就做过对比，完全不存在“PIV数据定性准确的问题”。
相应的文章，你可以查阅Experiment in Fluids 10：301～312，1991
PIV目前已经广泛应用于单相或者两相流动测量，其精度早就得到国内外研究者的认可，相应的精度分析（或者误差分析）文章也不少了，你可以查阅Experiment in Fluids 早期的文章，或者相应作者的博士论文。

zyzyeast

这种大型水槽的示踪粒子问题通常不是太少，而是太多。尤其是水下铺沙子的时候。

水下打光距离太远是不太好，可以考虑离近一些。

水面上方打光不仅是能量损失大的问题（液体表面会反射掉一部分光），另外片光进入水后会非常不均匀，对分析结果影响很大。

这种实验只能慢慢来，一步一步摸索着做。

示踪粒子的粒度均匀性肯定是约均匀越好，但是在这种大水量的水槽里面，杂质（尽管水体可能显得比较干净透明）就已经很不均匀了，所以这种情况下也不必太在意示踪粒子的均匀性，别太离谱出现很多几百微米数量级的就行了。

小马哥1982

谢谢大家提的意见和建议！
1、 我试验中水下铺的砂粒径比较大，在水中主要以推移质的形式前进，不会悬浮。另外铺的砂的运动速度明显低于水流的速度，在小流速下，会出现砂不运动的现象。所以我这个试验中用砂做底部的示踪粒子可能不太合适。
2、导光臂伸到水中打光（下游往上游打）的距离的长短对试验结果都有影响。①距离短时，导光臂对测流位置的流速产生影响（导光臂对上游的壅水作用），另外，距离短时片光源能量比较大，但片光厚度比较大，对试验精度影响也较大。②距离远时，导光臂对上游测流位置的壅水影响比较小，片光厚度比较小，但测流位置处激光能量又比较小。比较矛盾。

目前自己的另一个想法：
能不能把导光臂伸到水面之下1cm的位置，激光从上往下打，虽然在水中部分的导光臂对这部分的水流有影响，但对导光臂下面的水流影响应该不会大，这样的话，从水槽底部到激光出口之间的激光能量应该比较强，但有个问题就是，激光出口的地方的片光厚度很大，然后逐渐减小，不知对试验精度影响大不大？尤其是片光厚度最大的地方对试验精度影响大不大？

FlowTech

大水槽里面通常会有很多杂质，铁锈，灰尘之类的，这个做失踪粒子其实很不错，不过要有循环过滤装置过滤掉太大的粒子。粒子浓度稍微低一些关系也不是很大，如果实在太少，可以考虑借用micro piv的一些图像叠加或者ensemble piv的处理方式。这样做的前提是测量对象是稳态流动。另外可以考虑用micro bubble。直径数微米的微泡的跟随性相当好，寿命也比较长。而且，便宜极了。真是便宜量又足。
如果流动在水槽宽度方向梯度变化很小的话，片光的厚度应该没有影响。当然最好避免测量范围之内梯度的剧烈变化。
打光的方式，如zy指出的，从水面上往下打是绝对不可取的。但是从下游往上打光的话，如你所知，壅水作用不可避免。如果你测量全部深度，800毫米流场的话，我觉得200mj左右的激光比较好，不知道你的激光输出有多大。另外，如果你不介意波面上的干扰的话，可以用一个细长的windows glass,保证其上方在水面上，下方在水面之下，然后片光从这个window里面打下去。这样可以避免水面的波动，代价是引入了干扰。
有一个问题需要注意的是，水的曲折率和空气不一样，通常导光臂的片光系统设计都是按空气设计的，因此水下的表现会和你预期的非常不同。

小马哥1982

感谢FlowTech的意见和建议！就您说的一些内容，针对我的试验作下说明：
1、顺便想问下您，如果采用微气泡作为示踪粒子的话，这个微气泡如何产生？是不是要用专门的化学溶剂遇水生成？一般在哪能买到？能否给点如何生成和使用的一些注意事项等。
2、水槽试验中测量的是中垂线的流速分布，位置位于水槽宽度的中心，该处附近流速沿宽度方向梯度应该是很小的。
3、我试验用的PIV是丹迪公式的，激光最大单脉冲能量为200mj（未加导光臂），试验中可能最大的水深25cm。
4、您提的windows glass方法感觉是很好的方法，但我不太明白windows glass具体是个什么样的装置？您能否给我描述下！

FlowTech

微泡这个是有机械式的发生器，把吸入的空气和水通过高速剪切变成微泡，所以不需要消耗品，维持费用很低。我们自己是代理一个东北大学的教授开发的微泡发生器，专门为研究流体开发作的，所以微泡直径比较小。市面上有很多为养殖和美容开发的微泡发生装置，价格应该便宜很多，只是产生的微泡会比较大一些。我估计你可以买到那种洗浴用的微泡发生器，虽然效果会不够好，但是很便宜，拿来做个验证实验应该还是可以的。 而且做完实验了，还可以作为实验室的福利拿来洗澡用。http://www.cfluid.com/bbs/images/smilies/default/lol.gif
我说的这个window glass其实非常之简单，就是一个长长的玻璃棒，上下两面磨平，然后一半浸入水下。片光和长度方向平行，从上面打下去即可。最好是光学玻璃，不过有机玻璃也可以凑合，关键是两面要抛光得非常光洁，否则的话，加工的痕迹会在片光里面反应出来，造成很讨厌的纹路。这种抛光工艺看起来很简单，其实不容易。我们有专门的合作企业作这种有机玻璃模型的，尽管他们手艺非常好，经验也很丰富，但是打光拍照之后，还是常常发现需要返工。

这个实验很容易作，但是没有做过的人可能会在这里那里疏忽掉一些东西，所以人家说PIV实验的精度不高，原因不是这个PIV技术不好，而是因为它比较复杂，因此容易出错，不象LDV等等，开个机器读数就可以了。

小马哥1982

感谢FlowTech的详细解答！
仍然想请教下：采用window glass方法时，这个长长的玻璃棒（上下两面磨平）的横截面是不是是圆形或方形，它的尺寸是不是应该和导光臂出口的棱镜的尺寸（我的棱镜直径2cm）一样。另外对这个玻璃棒的长度有没要求？大概多长比较合适？太长的话是不是意味着激光穿透玻璃的路程比较远，能量损失也比较大？还有就是进入水面下的玻璃棒部分的长度是不是短点比较好，这样测量的流速分布（底部到水面）的范围也尽量多点，因为水中的玻璃棒附近的流场因绕流，跟实际流场是有差别的。

FlowTech

我想这个玻璃窗口的长度应该是和你想要测量的流场宽度差不多，这样玻璃下面的流场就是你想要测量的地方了。导光臂可以放得远一些，具体距离取决于导光臂的参数。
关于尺寸，抱歉我不了解你的情况，所以可能给你造成了误解。比如说这个玻璃的三边尺寸H，W，D， 长度H=200mm，宽度W=40mm，厚度D=5mm。 通常的玻璃窗是从H x W那两边观察的，但是这样的话，对流场干扰比较大，而且厚度不够，上边容易沾水。所以我设想的做法是激光从H x D那两片的在空气上边打进去，在水下的下边透出来。W x D那两边，一半在水下，一半在水上， 并且在水下的部分尽可能的短。不知道这样说是不是明白一点。
这主意不见得很好，不过很容易检验。如果不好的话，可以再想别的办法。
水工方面的PIV应用好像还不是很多，快点做出成绩的话，应该对以后的工作比较有利。
其实想早出成果的话，粒子也不必等，先丢一把污泥之类的微粒进去，看看能不能拍到可以处理的照片再说。

[ 本帖最后由 FlowTech 于 2011-6-29 14:16 编辑 ]

zyzyeast

有个比较成熟的做法：把一个薄的水槽放到水面上，使水面形成无空气的约束表面。水槽高度取决于入水深度和流速，水槽面积取决于片光距离和拍摄面积，但这样的问题是会影响近表面流场。

水工实验多数的问题不是粒子太少，而是太多，导致激光被散射的太厉害，打在粒子上反射的光太弱，以至于“显得”粒子太少。

小马哥1982

感谢zyzyeast的建议！
您所说的放一薄水槽在水面上（目的是使水面形成无空气的约束表面），这时激光从薄水槽上部往下打激光，我感觉是比较可行的方法！有几个疑问想向您请教下：
①您说这是个比较成熟的做法，也就是说一些试验中已经成功使用过该方法，由于我还没使用过，那我就想请教下您，这个薄水槽用大概多少毫米厚度的有机玻璃比较合适？由于流速大时水面波动比较大，是不是意味着这个薄水槽还必须有一定重量，以防止薄水槽底部水面波动而携带气泡
②试验中这个薄水槽应该是要固定在水面上某一位置吧？以便该处垂线流速分布的测量。
③正如您所指出该方法带来的问题是影响近表面流场，不知这种影响的近表面流场的范围有多少？也就是说水面以下多少距离的流场是与未放薄水槽前是明显有差异的？或者说水面下几分之几水深的流场数据是不能采用的？不知您对这方面有没做过对比试验分析过？

zyzyeast

1. 有机玻璃的厚度……我觉得别折（she2）了就行了。重量无所谓，关键是固定住了。
2. 一般是固定的，也有人把它固定在一个拖车上
3. 影响范围我建议你计算一下，或者实际测量一下，这个必须是因实验而异吧？

这个我见的基本都是低速的水槽，比如400mm/s以下，至于你们的造波水槽可能就困难些了。

小马哥1982

非常感谢zyzyeast！我试验中的流速0.5~1.2m/s，试验中我采用该方法先试试看，看水面的薄水槽影响程度有多大

FlowTech

原帖由 zyzyeast 于 2011/7/8 22:58 发表

                               
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1. 有机玻璃的厚度……我觉得别折（she2）了就行了。重量无所谓，关键是固定住了。
2. 一般是固定的，也有人把它固定在一个拖车上
3. 影响范围我建议你计算一下，或者实际测量一下，这个必须是因实验而异吧？

这 ...

我们说的应该是一回事，都是保持一个；平直的光学入口界面条件。
有条件的话可以做各种宽度的水槽，比较一下对结果的影响