目录

第1章绪论

1.1引言

1.2PIV基本原理

1.3PIV发展历程

1.3.1光源系统

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

随着社会经济的快速发展，人们对水动力学、空气动力学等流体力学相关学科的依赖程度越来越高。从代表**综合制造实力的航天器、飞机、高铁、潜艇、船舶等先进制造业，到反映**综合建造水平的水利枢纽、特大桥梁、摩天大楼等传统建造业，均要求对标的物所处的流动环境有越来越精细的定量认识。目前，准确获得流动定量信息的途径，主要为高精度数值模拟和实验测量。因此，开展流动测量技术的研究，对于促进流体力学学科发展，服务“中国制造2025”“一带一路”等**发展战略均具有重大意义。
粒子图像测速（particle image velocimetry，PIV）是20世纪80年代逐步发展起来的一种现代流动测量技术，它充分利用了现代材料技术、激光技术、数字成像技术、计算机技术和图像分析技术的*新发展成果，可以在不接触待测流体的条件下，**地测得平面内的二维或三维瞬态流场。近年来，激光技术和高速摄像技术的快速发展，进一步推动PIV朝着高频、高分辨率、立体化测量方向发展，显著推动了紊流统计理论和相干结构理论的研究与应用。<p>前言</p> <p> </p> <p>随着社会经济的快速发展，人们对水动力学、空气动力学等流体力学相关学科的依赖程度越来越高。从代表**综合制造实力的航天器、飞机、高铁、潜艇、船舶等先进制造业，到反映**综合建造水平的水利枢纽、特大桥梁、摩天大楼等传统建造业，均要求对标的物所处的流动环境有越来越精细的定量认识。目前，准确获得流动定量信息的途径，主要为高精度数值模拟和实验测量。因此，开展流动测量技术的研究，对于促进流体力学学科发展，服务“中国制造2025”“一带一路”等**发展战略均具有重大意义。</p> <p>粒子图像测速（particle image velocimetry，PIV）是20世纪80年代逐步发展起来的一种现代流动测量技术，它充分利用了现代材料技术、激光技术、数字成像技术、计算机技术和图像分析技术的*新发展成果，可以在不接触待测流体的条件下，**地测得平面内的二维或三维瞬态流场。近年来，激光技术和高速摄像技术的快速发展，进一步推动PIV朝着高频、高分辨率、立体化测量方向发展，显著推动了紊流统计理论和相干结构理论的研究与应用。</p> <p>本书作者所在课题组从20世纪末开始从事PIV技术的研究工作。在**自然科学基金仪器专项基金等一批**级科研项目的资助下，经过近20年的持续攻关，在高频PIV技术的研发和应用方面取得了较为丰硕的成果，得到了国内外同行的认可。本书是对长期实践中积累的基本理论、技术经验及应用实践的阶段性总结，是一部系统介绍高频PIV知识的中文学术著作。与国际上现有的PIV专著相比，本书更强调PIV技术的实用性。全书以研发和使用一套高频PIV系统为主线，首先阐述PIV系统的硬件构成及有关理论，然后基于粒子图像基本知识，从图像前处理、粒子图像分析和流场后处理三个方面介绍PIV常用处理方法和算法实现，*后以明渠紊流、方腔流和黏性底层三个典型应用为例，展示了高频PIV系统优异的性能和广阔的应用前景。</p> <p>全书分为7章。第1章绪论，由陈启刚、钟强编写； 第2章PIV硬件系统，由陈启刚、钟强、王兴奎编写； 第3章粒子图像，由陈启刚、李丹勋编写； 第4章粒子图像分析，由陈启刚、陈槐编写； 第5章流场后处理，由陈启刚、钟强、陈槐、王兴奎编写； 第6章高频PIV系统实践，由陈槐、陈启刚编写； 第7章超高分辨率高频PIV系统，由钟强、王兴奎编写。全书由陈启刚、李丹勋统稿。</p> <p>由于作者的知识水平、实践范围及认识程度有限，书中难免存在不妥之处，恳请读者批评指正。</p> <p>作者</p> <p>2017年1月</p>显示全部信息媒体评论评论免费在线读第1章绪论1.1引言水是生命之源，水流是自然界*常见的流动形态，与人类的生产和生活密切相关。例如，海洋中的洋流促进了地球高低纬度地区的能量交换，是地球表面热环境的主要调节者； 河道中的水流侵蚀和搬运地表岩土矿物，是地形地貌的主要塑造者，而大江大河也是现代社会重要的交通动脉； 管道中的水流输送人类生产和生活所需的大部分水，是维系现代社会的“心血管系统”。同其他物理现象的研究历程一样，人类对水流的研究经历从定性描述到定量刻画的过程，其主要转折点是Euler方程和NavierStokes方程的提出。Euler方程又称理想流体运动方程，由瑞士力学家L. Euler(1707—1783年)于1757年提出，由于该方程未考虑真实流体的黏性，法国力学家C. L. Navier(1785—1836年)对其进行了推广，考虑了分子间的作用力，建立了只含有一个黏性常数的流体平衡和运动方程； 1845年，英国力学家G. G. Stokes(1819—1903年)从连续系统的模型出发，改进了C.L.Navier提出的流体力学运动方程，得到有两个黏性常数的黏性流体运动方程，即NavierStokes方程(以下简称NS方程)。

Euler NavierStokes
图1.1流体力学大师

一般情况下，水的可压缩性可以忽略，其对应的NS方程为

·U=0
Ut (U·)U=f－1ρp ν2U(1.1)

式中，U=(U,V,W)为瞬态流速矢量； f为体积力矢量； p为热力学压强； ρ为密度； ν=μ/ρ为运动黏性系数； =xi yj zk为哈密尔顿算子； 2=2x2 2y2 2z2为拉普拉斯算子。

目录

第1章绪论

1.1引言

1.2PIV基本原理

1.3PIV发展历程

1.3.1光源系统

1.3.2成像系统

理论与实践结合紧密，注重实用，知识体系完善，适用于高频粒子图像测速系统研制、使用和维护等各个阶段。