基于单相机光场PIV的逆压湍流边界层测量

作为一种新兴的体三维粒子图像测速技术,光场单相机三维粒子图像测速技术(Single-Camera LightField Particle Image Velocimetry,LF-PIV)能够仅用单个相机获得三维速度场,其结果已在许多复杂三维流动测量中得到验证。LF-PIV的优势主要在于其紧凑简便的硬件设备以及对光学窗口较宽松的要求。应用LF-PIV技术对一个自相似的逆压湍流边界层(Adverse Pressure Gradient Turbulent Boundary Layer,APG-TBL)进行测量,该实验在澳大利亚莫纳什大学(Monash University)航空航天与燃烧湍流研究实验室(Laboratory for Turbulence Research in Aerospace and Combustion,LTRAC)水洞中完成。实验对远、近壁面测量所得到的各600组瞬态三维流场数据进行分析验证,并与相同工况下的2D-PIV实验结果对比,证明基于DRT-MART重构技术的LF-PIV能够进行基本的湍流边界层测量。

基于双光场相机的高分辨率光场三维PIV技术

光场相机粒子图像测速(Light Field Particle Image Velocimetry,LF-PIV)是一种近几年新发展起来的流动测试手段,能够仅通过单个光场相机测量3D-3C瞬态速度场,简化了三维流场测量的实验复杂度,特别是能实现受限空间的三维速度场测量。然而这一技术尚存在一些不足:由于光场相机沿景深方向的空间分辨率较低,沿该方向的速度测量精度低于垂直于景深方向的测量精度。本文尝试从硬件角度入手,发展一种双光场相机流动测试技术,通过增大对示踪粒子的观察视角,来提高光场三维测量系统沿景深方向的空间分辨率。基于乘积代数迭代技术(Multiplicative Algebraic Reconstruction Technique,MART),开发了针对双光场相机的粒子三维重构算法。分别利用直接数值模拟(Direct Numerical Simulation,DNS)水射流的数字合成图像与低速水射流涡环的实验图像,将双光场相机的测量结果与单光场相机的测量结果进行对比分析研究。结果表明双光场相机与单光场相机相比显著提高了相机沿景深方向的测量精度。

光场单相机三维流场测试技术

将光场三维成像技术与实验流体力学相结合,实现单相机对空间三维瞬态流场(3D3C)的精确测量,为流体力学实验研究提供了一种全新的测试技术。详细介绍了具有自主知识产权的光场相机硬件系统、基于乘积代数重建技术(MART)的粒子光场图像重构算法以及基于光线追迹的数字光场图像合成算法。利用DNS数字合成图像以及低速射流实验图像,将所发展的光场单相机三维流场测试技术(Light Field Particle Image Velocimetry,LFPIV)与目前最成熟的三维流场测试技术层析PIV(Tomographic Particle Image Velocimetry,Tomo-PIV)进行对比研究分析。实验结果表明LF-PIV技术完全能达到与Tomo-PIV同等量级的测量精度。

基于体标定追迹法的光场PIV权系数计算方法

针对光场粒子图像测速(PIV)技术中介质折射率变化及镜头畸变等因素而导致权系数计算误差较大的问题,提出一种基于体标定追迹技术的光场PIV权系数计算方法。该方法首先通过体标定方法建立空间物点与微透镜之间的映射关系,然后利用光线追迹技术计算控制体内的离散体素对像素的权系数,最后将该方法计算的权系数与直接追迹法计算的结果进行比较,并对标定板特征点的空间位置进行重建实验研究。实验结果表明,体标定追迹法计算出的权系数与直接追迹法的计算结果高度吻合;重建获得的标定板特征点在横向和深度方向上的位置误差分别小于0.002 mm和0.250 mm。

基于预识别技术及SART算法的单光场相机三维流场重建

提出了一种基于预识别及联合代数重建技术(SART)的单光场相机三维流场重建方法。首先结合光场图像,采用光线追迹的预识别技术预先筛选出控制体中包含示踪粒子的离散体素,实现对权矩阵结构的优化,然后利用插值法准确计算出测量体体素与图像像素之间的权函数。最终采用SART实现对示踪粒子三维空间位置的重构。单颗粒的重建结果表明:重建颗粒的中心位置准确,且其沿深度方向的拉伸程度较经典算法(MART)的结果明显减弱。此外,该算法在提高了重建效率的同时也降低了对权矩阵存储空间的需求。