4。6  本章小结  23

5  总结与展望  24

5。1  总结  24

5。2  展望   24

致谢  25

参考文献 26

1  引言

1。1  PIV技术研究背景

近年来，越来越多的海洋工程项目需要使用流体力学的相关手段对海洋的流体运动进行测量。目前，流体运动的测量和分析方法的研究已经成为流体力学的重要内容之一[1]。在流体力学领域中，有许多不同理论可以描述流体运动。但是由于精确的流体运动数据难以获得，因此与许多理论都是基于假设、近似和流体计算力学计算结果的[2]。在现代流体力学研究中，由于针对目标问题建立的数学模型急需大量的实验数据来验证其准确性和正确性，如何获得精准的流体运动数据，并且对建模和流体计算力学的计算结果进行验证，已经成为急需解决的问题。

早期的流场测量技术，尽管存在各自的优点，然而因为其固有缺陷，限制了其流场测量时的准确度和空间分辨率的提高[3]。热线测技术、恒温热线测技术和脉冲热线测技术等侵入式流场测试技术，虽然其流场测量的时间分辨率较高，但是因为存在着单点测量的缺陷，其流场测量的空间分辨率较低，与此同时，传感器探入到待测流体的内部，会对目标流场产生一定的干扰，使得流场测量准确度降低；激光多普勒测速技术、激光双焦点测速技术和激光诱导荧光技术等非入侵式流场测量技术具有非入侵式的特点，但是，也同样受到自身的单点测量限制，流场测量的空间分辨率也较低。总而言之，早期的流场测量技术都难以实现高空间分辨率的准确测量。论文网

粒子图像测速（Particle Image Velocimetry, 简称PIV）是20世纪80年代发展的一种多点、瞬时、无接触的流体力学测量手段[4]。与传统的流场测量技术相比，在流场测量空间分辨率和准确度等方面具有极大的提高[5-6]。PIV技术起源自激光散斑测速技术，最早被应用于固体位移的测量。PIV技术从原理发展成实用技术，这要归功于Adrian和Merzkirch，他们完成了许多理论性的工作。

PIV技术克服了单点测量技术的不足，可以实现在同一瞬时记录大量空间点上的速度分布信息，并且提供充足的流场空间信息[7]。在PIV技术实现过程中，都是使用激光光源照亮待测流场区域，接着使用相机系统对待测流场区域实施图像采集。在整个测试过程中，各装置都不对流场产生干扰，因此PIV技术的测量精度较高。

PIV测量技术包括了二维PIV技术和三维PIV技术。二维PIV技术的测量目标是单一平面内的流体速度，已经成为空气动力、水动力等领域的重要测量方法[8-9]。迄今为止，在二维全场测速的众多技术中，二维PIV是最成熟的技术[10]，在国外有许多商业公司和科研机构进行了PIV技术的应用研究，其中包括英国爱丁堡大学和Rolls-Royce公司、美国的Aerometrics公司、TSI公司和丹麦Dantec公司在PIV技术的研究开发及商业应用做了许多工作。如，1994年Dantec公司推出的Flow Map产品，就可以实现“准实时”测量。

虽然二维PIV测量技术在部分领域达到相当高的测量精度，但是其测速水平还达不到进行海洋平台附近流场测量的要求。测量空间的大小限制了二维PIV的应用。然而，三维PIV技术是利用计算机立体视觉为理论基础，以图像处理为手段，可以实现对流场一定体积内的三维速度矢量的测量[11]。

目前三维PIV技术的研究关注点在层析粒子图像测速技术。而在层析粒子图像测速技术出现之前，全息粒子图像测速技术曾备受关注。Pu和Meng在2000年的时候，用该技术测量水中混合的尾流[12]，Herrmann等人在2000年时用该技术测量空气中圆柱形尾流流动，并返回了大量的矢量（使用的独立粒子对多达92000对）[13]。