速度场和压力场耦合测量的三脉冲层析PIV测量系统研究

As rapid development of tomographic particle image velocimetry (PIV) in volumetric PIV measurements, high temporal and spatial resolutions become achievable in experimental measurements, which make PIV-based pressure reconstruction possible. Due to poor performances of high speed laser and camera system regarding low power and signal to noise ratio, a concept of triple-pulse PIV was recently proposed, which aims to reconstruct a pressure field from a low-frequency PIV with high laser power. The goal of this project is to investigate a technique of triple-pulse tomographic PIV to measure a velocity-pressure field with high accuracy, which would benefit experimental study on complex and turbulent flows. Data processing algorithms of tomographic PIV and pressure reconstruction will be optimized. Finally, a system of triple-pulse tomographic PIV with intellectual property rights will be developed.

随着层析粒子图像测速技术（PIV）的发展，PIV体测量时空分辨率有了大幅提高，这为三维压力场重构提供了技术支持。由于采用高速激光和高速相机的层析PIV技术在激光能量和成像质量上存在的不足，人们提出了三脉冲PIV理念，旨在通过高能低速的PIV设备实现流场加速度场的计算从而还原流场压力场。本课题将开展三脉冲层析PIV实验技术的研究，通过层析PIV技术来实现三维流动速度场和压力场的耦合测量，为实验研究复杂的三维流动提供高精度、高分辨率的实验测量技术。项目将在实验设备研发、层析PIV数据处理算法和压力重构算法优化三方面展开研究，最终实现完全具有自主知识产权的三脉冲层析PIV测量系统的研制。

随着层析粒子图像测速技术（PIV）的发展，PIV体测量时空分辨率有了大幅提高，这为三维压力场重构提供了技术支持。由于采用高速激光和高速相机的层析PIV技术在激光能量和成像质量上存在的不足，人们提出了三脉冲PIV理念，旨在通过高能低速的PIV设备实现流场加速度场的计算从而还原流场压力场。本课题将开展三脉冲层析PIV实验技术的研究，通过层析PIV技术来实现三维流动速度场和压力场的耦合测量，为实验研究复杂的三维流动提供高精度、高分辨率的实验测量技术。首先，研制三脉冲激光器以及三曝光PIV用相机，研发三脉冲层析PIV 实验测量系统（包括硬件系统和软件系统）。其次，研究三维压力场重构技术。最后，实现速度场/压力场耦合测量的验证实验。实验测量系统的研发，完成了三脉冲激光去的改造和研制，完成了三曝光PIV用照相机的研制，完成了层析PIV测量系统软件开发及压力重构算法的软件封装。在算法研究中提出了基于物理约束的速度场后处理技术，提出了基于反扩散方程和压缩感知的粒子重构算法，提出了先进的三维加速度场和压力场重构的快速算法，完成了将完整的Navier-Stokes方程应用于PIV速度场后处理的技术，这种将实验流体力学和计算流体力学相结合的方法将极大地改善测量数据的质量，是未来流场后处理一个重要发展方向。最终申请了10项专利，其中已授权8项。发表SCI论文11篇，EI论文1篇。完成专利转化2项，相关专利以转化到北京立方天地科技发展有限公司。层析PIV技术被美国德克萨斯农机大学、航天气动院、浙江大学和山东齐鲁大学等4家研究单位应用，而压力重构的软件模块被山东省科学院海洋仪器仪表研究所、齐鲁工业大学、河北大学、浙江大学、海尔集团、福州大学、清华大学、中科院力学所、中科院山西煤化所、中国特种设备检测研究院等10家单位应用。共计培养博士生3名，硕士生4名。