第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 PIV基本原理 5
1.3 PIV发展历程 7
1.3.1 光源系统 7
1.3.2 成像系统 8
1.3.3 分析方法 8
1.3.4 标准配置 9
1.4 PIV发展趋势 10
1.4.1 三维粒子图像测速技术 11
1.4.2 高频粒子图像测速技术 12
1.5 PIV国际交流与合作 13
第2章 PIV硬件系统 15
2.1 示踪粒子 15
2.1.1 跟随性 15
2.1.2 散光性 18
2.1.3 选择与使用 19
2.2 光源 20
2.2.1 激光 20
2.2.2 调Q技术 22
2.2.3 双脉冲激光系统 24
2.3 光路 26
2.3.1 高斯光束 26
2.3.2 片光光路 29
2.3.3 体光光路 31
2.3.4 导光设施 33
2.4 相机 35
2.4.1 CCD相机 35
2.4.2 CMOS相机 40
2.4.3 CCD与CMOS相机对比 41
2.5 镜头 42
2.5.1 镜头与透镜 43
2.5.2 镜头的光圈 44
2.5.3 镜头的像差 45
2.5.4 镜头的景深 48
2.5.5 镜头的接口 49
第3章 粒子图像获取 51
3.1 成像原理 51
3.1.1 简单成像 51
3.1.2 成像分辨率 54
3.1.3 倾斜成像 59
3.2 粒子成像 65
3.2.1 衍射极限成像 65
3.2.2 单粒子成像 67
3.2.3 多粒子成像 68
3.3 拍摄粒子图像 70
3.3.1 图像曝光 70
3.3.2 图像像素化 72
3.3.3 成像噪声 74
3.4 形成数字图像 75
3.4.1 数字图像的表示 75
3.4.2 BMP图像文件 78
3.4.3 TIFF图像文件 82
3.5 粒子图像合成 85
3.5.1 标准图像 85
3.5.2 流场及参数处理 86
3.5.3 粒子图像合成算法 87
第4章 粒子图像分析 89
4.1 图像前处理 89
4.1.1 背景剔除 89
4.1.2 图像增强 92
4.1.3 图像去噪 95
4.2 流场计算基本方法 97
4.2.1 概述 97
4.2.2 自相关算法 98
4.2.3 互相关算法 99
4.3 流场计算辅助方法 102
4.3.1 窗函数 102
4.3.2 亚像素插值 105
4.3.3 错误矢量剔除 107
4.3.4 流速矢量插补 109
4.4 流场计算高级方法 110
4.4.1 窗口平移 110
4.4.2 图像变形 112
4.4.3 多级网格迭代 115
4.5 特殊处理技术 116
4.5.1 非正方形窗口 116
4.5.2 固体边界处理 117
4.6 误差及优化准则 118
4.6.1 PIV计算误差 118
4.6.2 判读窗口尺寸影响 120
4.6.3 粒子拖尾影响 124
4.6.4 PIV优化准则 125
第5章 流场后处理 127
5.1 流场去噪 127
5.2 速度统计参数 128
5.2.1 平均流速 128
5.2.2 高阶速度矩 130
5.2.3 相关与能谱 131
5.3 流速导出变量 135
5.3.1 速度梯度 135
5.3.2 涡量 137
5.3.3 压力场 140
5.4 涡识别方法 143
5.4.1 方法推导 143
5.4.2 方法对比 145
5.5 样本参数分析 149
5.5.1 问题的提出 149
5.5.2 实验及方法 150
5.5.3 采样频率分析 151
5.5.4 采样历时分析 153
5.5.5 参数耦合分析 155
5.5.6 小结 156
第6章 高频PIV系统实践 158
6.1 系统搭建方法 158
6.1.1 激光器及光路 158
6.1.2 相机及镜头 160
6.1.3 测架 162
6.1.4 分析软件 163
6.2 系统测试 164
6.2.1 算法检验 164
6.2.2 综合检验 166
6.3 在明渠紊流研究中的应用 168
6.3.1 实验设备及水流条件 168
6.3.2 明渠紊流统计参数 170
6.3.3 涡的演化特征 172
6.3.4 横向涡对雷诺应力的贡献 177
6.3.5 横向涡与净力之间的关系 180
6.4 在方腔流中的应用 187
6.4.1 实验系统及实验条件 187
6.4.2 时均流场结构 189
6.4.3 大尺度环流 192
6.4.4 涡旋的空间分布 196
第7章 超高分辨率高频PIV系统 199
7.1 基本原理 199
7.2 硬件系统 200
7.2.1 摄像系统 200
7.2.2 光源系统 205
7.3 图像处理与计算方法 206
7.3.1 图像处理 206
7.3.2 粒子匹配算法 208
7.4 黏性底层测量中的应用 209
7.4.1 研究背景 209
7.4.2 实验条件 211
7.4.3 时均流速 212
7.4.4 紊动强度与雷诺应力 212
7.4.5 偏态和峰度系数 214
附录A 主要符号对照表 216
参考文献 217