陳建民，劉應(yīng)征，魏潤(rùn)杰

（1.上海交通大學(xué)動(dòng)力機(jī)械與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.北京立方天地科技有限責(zé)任公司，北京100098）

0 引 言

近年來(lái)，基于高重復(fù)頻率激光器和高速相機(jī)的高頻響TR－PIV（Time－Resolved Particle Image Velocimetry）測(cè)試技術(shù)的出現(xiàn)為非定常流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試提供了一種高效的實(shí)驗(yàn)工具，越來(lái)越受到實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)研究人員的關(guān)注。該技術(shù)被很好地應(yīng)用于湍流結(jié)構(gòu)演變的實(shí)驗(yàn)研究［1－2］以及數(shù)值計(jì)算方法的驗(yàn)證［3］。TR－PIV流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)性能的提高在很大程度上與高速相機(jī)、激光器和計(jì)算機(jī)三大關(guān)鍵技術(shù)的提高緊密相關(guān)。

典型的高頻響流場(chǎng)測(cè)試TR－PIV系統(tǒng)一般采用可外接控制信號(hào)的高重復(fù)頻率激光器和高速高分辨率相機(jī)。然而，實(shí)驗(yàn)瞬時(shí)過(guò)程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)圖像文件制約著實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集頻率和實(shí)驗(yàn)時(shí)間。結(jié)合作者所在課題組近年來(lái)在高頻響流場(chǎng)測(cè)試TR－PIV系統(tǒng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)三種高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹與分析，建立了基于PCI－E間接存儲(chǔ)技術(shù)的TR－PIV流場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)并利用該系統(tǒng)對(duì)低速循環(huán)水槽中自由來(lái)流方柱繞流場(chǎng)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間110Hz連續(xù)采樣，獲取了大尺度相干結(jié)構(gòu)的時(shí)空演變特征。

1 高頻響流場(chǎng)測(cè)試TR－PIV系統(tǒng)技術(shù)分析

典型的TR－PIV系統(tǒng)采用可外接控制信號(hào)的高重復(fù)頻率激光器和高速高分辨率相機(jī)，并選用適合的高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)。在當(dāng)前技術(shù)條件下，TR－PIV流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)性能的提高在很大程度上與高速相機(jī)、激光器和計(jì)算機(jī)技術(shù)這三大關(guān)鍵技術(shù)密切相關(guān)。下面將針對(duì)這三大關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的技術(shù)分析。

1.1 激光器

高頻響流場(chǎng)測(cè)試TR－PIV系統(tǒng)需要有很高重復(fù)頻率的激光器，配合高速高分辨率相機(jī)保持同步工作以完成連續(xù)圖像的采集。脈沖Nd：YAG激光器由于能量輸出大，脈沖窄，常見(jiàn)于普通PIV實(shí)驗(yàn)中，但其重復(fù)頻率較低，無(wú)法滿(mǎn)足高頻響TR－PIV系統(tǒng)的測(cè)試要求。Nd：YLF固體激光器因其脈沖能量及重復(fù)頻率較高，非常適合高頻響流場(chǎng)測(cè)試TR－PIV系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合［4］。然而，受當(dāng)前技術(shù)條件所限，市場(chǎng)上能提供的激光器功率有限，激光器重復(fù)頻率越高，單脈沖能量將越低［5］；激光器脈沖能量不足則導(dǎo)致高速相機(jī)曝光不充分，使得示蹤粒子無(wú)法在高速相機(jī)芯片上清晰成像。對(duì)于大部分低速水流實(shí)驗(yàn)而言，拍攝圖像間隔在ms級(jí)就可滿(mǎn)足要求，采用連續(xù)式半導(dǎo)體激光器完全配合高速相機(jī)可建立低成本的TR－PIV測(cè)試系統(tǒng)［6］。

1.2 高速相機(jī)

相對(duì)于CCD（Charge Coupled Device）芯片而言，CMOS（Complementary Metal－Oxide Semiconductor）相機(jī)有更高的像素讀取速度，其芯片的每個(gè)像素結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耗低，整體價(jià)格也便宜。雖然CMOS相機(jī)拍攝的圖片質(zhì)量在高分辨率領(lǐng)域尚無(wú)法與CCD相機(jī)媲美，暫時(shí)還無(wú)法完全取代CCD相機(jī)的地位，但對(duì)于高頻響流場(chǎng)測(cè)試TR－PIV系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在實(shí)驗(yàn)拍攝圖片質(zhì)量允許的情況下一般推薦CMOS高速相機(jī)［7］。商業(yè)上用于PIV實(shí)驗(yàn)的高速CMOS相機(jī)在Mpixel下最高幀率已超過(guò)7500幀／s，如Photron公司的FASTCAM SA5高速相機(jī)在512pixel×512pixel下，該高速相機(jī)的幀率甚至達(dá)到了25000幀／s，已基本滿(mǎn)足大多數(shù)流場(chǎng)非定常研究的需要。

1.3 高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)

TR－PIV測(cè)試系統(tǒng)中的激光器和高速相機(jī)等都能從市場(chǎng)上采購(gòu)得到。然而，受目前總線(xiàn)傳輸速率及計(jì)算機(jī)硬盤(pán)寫(xiě)入速度的限制（單硬盤(pán)數(shù)據(jù)傳輸速率一般為10～20MB／s），對(duì)于如何實(shí)時(shí)高速傳輸和存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)圖像，目前尚無(wú)比較完善的解決方案。以下將介紹作者課題組所采用和建立的3種高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)。

（a）高速相機(jī)內(nèi)存存儲(chǔ)技術(shù)。采用這種技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)，高速相機(jī)首先將圖像通過(guò)MCDL（Multi－Channel Data Link）存儲(chǔ)到高速相機(jī)自帶內(nèi)存中，待實(shí)驗(yàn)結(jié)束后再轉(zhuǎn)存入計(jì)算機(jī)硬盤(pán)進(jìn)行處理。這種高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)適用于那些對(duì)拍攝區(qū)域空間分辨率和時(shí)間分辨率都有很高要求的場(chǎng)合。這種情況下，系統(tǒng)單位時(shí)間采集的數(shù)據(jù)圖像量過(guò)大以至于在現(xiàn)有技術(shù)條件下，一般傳輸總線(xiàn)均無(wú)法滿(mǎn)足要求；采集的圖像直接存儲(chǔ)到高速相機(jī)內(nèi)存中，避開(kāi)了數(shù)據(jù)傳輸總線(xiàn)及硬盤(pán)傳輸速度的限制，從而可以實(shí)現(xiàn)很高的圖像采集速率。然而，高速相機(jī)專(zhuān)用內(nèi)存相當(dāng)昂貴；受其內(nèi)存容量的限制，實(shí)驗(yàn)時(shí)連續(xù)可拍攝時(shí)間也很有限。萬(wàn)津津等［8］利用采用該技術(shù)的TR－PIV系統(tǒng)對(duì)低速水槽中貼壁方柱湍流場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

（b）磁盤(pán)陣列直接存儲(chǔ)技術(shù)。傳統(tǒng)的硬盤(pán)直接存儲(chǔ)方式受到傳輸總線(xiàn)特別是硬盤(pán)文件寫(xiě)入速度的限制。采用磁盤(pán)陣列系統(tǒng)可以成倍提高圖像文件的寫(xiě)入速度。余俊等［6］利用空間分辨率和時(shí)間分辨率相對(duì)較低的CCD高速相機(jī)配合磁盤(pán)陣列系統(tǒng)進(jìn)行了這方面的嘗試，取得了較好的效果。采用磁盤(pán)陣列系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)分辨率要求不高，流場(chǎng)速度和特征頻率比較低時(shí)可以實(shí)現(xiàn)TR－PIV測(cè)試系統(tǒng)的不間斷連續(xù)采樣。這種方式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本也不高。然而，受限于目前硬盤(pán)寫(xiě)入速度，即便采用磁盤(pán)陣列系統(tǒng)仍不能達(dá)到令人滿(mǎn)意的數(shù)據(jù)傳輸速度。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，已有人提出使用光纖接口的固態(tài)磁盤(pán)陣列模式，可大大提高數(shù)據(jù)傳輸速率。由于目前固態(tài)硬盤(pán)存在容量小、價(jià)格高、安全性較差等缺點(diǎn)尚未得到普遍應(yīng)用。

（c）PCI－E間接存儲(chǔ)技術(shù)。該技術(shù)采用了最新的PCI－E接口技術(shù)，帶寬達(dá)到了2GB／s，結(jié)合Cam－Link技術(shù)，可保證高分辨率數(shù)字圖像的高速傳輸?？紤]到計(jì)算機(jī)硬盤(pán)傳輸速度的限制，該技術(shù)將采集到的圖像首先存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后再轉(zhuǎn)存到計(jì)算機(jī)硬盤(pán)里。

作者所在課題組最近采用該技術(shù)建立了一套TR－PIV測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用高速相機(jī)為CAMMC1362，分辨率為1280pixel×1024pixel，全畫(huà)幅最高拍攝頻率為500幀／s，系統(tǒng)配置700MB／s的圖像采集卡及PCI－E×4總線(xiàn)，與之配合的工作站為HP Z800，計(jì)算機(jī)內(nèi)存為96GB。在最高分辨率下，單張圖像文件大小約為1.3MB，在此分辨率下全畫(huà)幅最高拍攝頻率500幀／s，系統(tǒng)需要的存儲(chǔ)帶寬約為660MB。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，高速相機(jī)采集到的數(shù)據(jù)圖像通過(guò)CamLink Full（700MB／s）和CamLink Base（200MB／s）雙通道傳輸?shù)綀D像采集卡（700MB／s），圖像采集卡再通過(guò)PCI－E4總線(xiàn)（2GB／s）將數(shù)據(jù)圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)存中，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后再將圖像從內(nèi)存轉(zhuǎn)存到計(jì)算機(jī)硬盤(pán)中。顯然，該系統(tǒng)傳輸帶寬能夠滿(mǎn)足數(shù)據(jù)圖像傳輸要求。實(shí)際操作中，劃分了90GB計(jì)算機(jī)內(nèi)存給圖像存儲(chǔ)。當(dāng)高速相機(jī)以全幀滿(mǎn)分辨率運(yùn)行時(shí)，可支持系統(tǒng)連續(xù)采集圖像超過(guò)2min。當(dāng)研究流場(chǎng)流速比較低，對(duì)高速相機(jī)采集頻率要求不高時(shí)，則可增加連續(xù)采集時(shí)間。該系統(tǒng)最大數(shù)據(jù)傳輸帶寬為700MB／s，與高速相機(jī)內(nèi)存存儲(chǔ)技術(shù)（2GB／s甚至更高）相比，雖其系統(tǒng)帶寬較低，但在滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求條件下性?xún)r(jià)比更高。相對(duì)于磁盤(pán)陣列存儲(chǔ)技術(shù)，該系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求更高。然而，這種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)也有其不足之處，數(shù)據(jù)在內(nèi)存中缺乏斷電保護(hù)則更容易發(fā)生丟幀現(xiàn)象。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)等的快速發(fā)展，已有研究人員提出采用專(zhuān)用高速采集卡，配合32塊光纖接口固態(tài)磁盤(pán)陣列，不經(jīng)計(jì)算機(jī)內(nèi)存可將采集到的圖像數(shù)據(jù)直接通過(guò)寫(xiě)入到計(jì)算機(jī)硬盤(pán)中，為T(mén)RPIV高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)提供了另一個(gè)發(fā)展方向。

2 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置和技術(shù)

實(shí)驗(yàn)所用的低速循環(huán)水槽及其詳細(xì)參數(shù)參見(jiàn)文獻(xiàn)［8］。水槽測(cè)試段長(zhǎng)1050mm，展向?qū)?50mm，液位高H＝200mm。實(shí)驗(yàn)方柱截面邊長(zhǎng)15mm，展向長(zhǎng)150mm，實(shí)驗(yàn)時(shí)固定在水槽測(cè)試段液位中間位置附近。自由來(lái)流速度v＝0.09m／s，雷諾數(shù)Re＝1350。

實(shí)驗(yàn)采用基于PCI－E間接存儲(chǔ)技術(shù)的TR－PIV測(cè)試系統(tǒng)對(duì)方柱下游區(qū)域進(jìn)行圖像采集。實(shí)驗(yàn)中，在滿(mǎn)足測(cè)量要求的情況下，采集速率設(shè)置為110幀／s，采集窗口大小設(shè)置為1280pixel×1024pixel。照明光源采用功率為2W的半導(dǎo)體連續(xù)式激光器（波長(zhǎng)為532nm），測(cè)試區(qū)激光片光厚度小于1mm，示蹤粒子采用密度為1.03g／mm3的空心玻璃珠，粒徑為20～ 30μm。實(shí)驗(yàn)總共拍攝了52000幅圖像，對(duì)圖像序列中的相鄰圖像進(jìn)行互相關(guān)分析可獲得瞬態(tài)速度全場(chǎng)。互相關(guān)計(jì)算判讀窗口大小為32pixel×32pixel，相鄰窗口重疊率50%。PIV互相關(guān)圖像分析采用北京立方天地科技有限公司提供的MircroVec軟件，該軟件采用圖像偏置［9］及迭代算法，同時(shí)對(duì)速度梯度比較大的區(qū)域，采用窗口變形技術(shù)，系統(tǒng)計(jì)算誤差小于1%。在圖像分析時(shí)，采用亞像素?cái)M合［10］，位移計(jì)算結(jié)果精度可以達(dá)到±0.1pixel。

圖1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量區(qū)域示意圖Fig.1 Schematic diagram of the measurement region

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

在方柱下游與方柱上沿平行的高度上，對(duì)繞流尾跡x／D＝0.25處（見(jiàn)圖1）單點(diǎn)法向脈動(dòng)速度分量的時(shí)序信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，得到該處的功率譜曲線(xiàn)如圖2所示。對(duì)譜線(xiàn)進(jìn)行分析，可知在f＝0.75Hz（即St＝0.125）處，功率譜曲線(xiàn)出現(xiàn)峰值，該頻率即為大尺度相干結(jié)構(gòu)的脫離頻率。

圖2 脈動(dòng)速度場(chǎng)的功率譜Fig.2 The auto－spectrum of fluctuating velocity component

為了分析各種旋渦結(jié)構(gòu)的空間－時(shí)間特性，筆者對(duì)法向脈動(dòng)速度進(jìn)行了時(shí)空相關(guān)分析。在使用法向脈動(dòng)速度信號(hào)做互相關(guān)之前，對(duì)信號(hào)進(jìn)行了小波降噪處理。這里選用bior5.5小波函數(shù)進(jìn)行5層分解。通過(guò)降噪可以最大限度地保留原始信號(hào)中所關(guān)心的低頻部分而剔除高頻部分。然后以x／D＝4，y／D＝0為參考點(diǎn)計(jì)算了法向脈動(dòng)速度在不同時(shí)間和不同位置時(shí)的互相關(guān)系數(shù)。圖3所示即法向脈動(dòng)速度互相關(guān)系數(shù)。從圖3中可以明顯看到多條明暗相間的條紋等間距分布，這個(gè)特征清晰地說(shuō)明了當(dāng)?shù)亓鲃?dòng)中有旋渦結(jié)構(gòu)不斷向下游輸運(yùn)。對(duì)條紋的分布特征進(jìn)行計(jì)算，可以推斷大尺度相干結(jié)構(gòu)在方柱尾跡中的輸運(yùn)速度Uc＝0.43U0。

圖3 法向脈動(dòng)速度時(shí)空相關(guān)分析Fig.3 Cross－correlation of velocity fluctuations

為了進(jìn)一步分析方柱繞流尾跡中大尺度旋渦脫離情況，通過(guò)相位平均方法去除實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中非相干部分，得到所關(guān)心的大尺度相干部分［11］。選取了2000個(gè)連續(xù)瞬態(tài)速度場(chǎng)并以其中第一個(gè)為參考速度場(chǎng)和所有1999個(gè)速度場(chǎng)做全場(chǎng)互相關(guān)運(yùn)算［12］，得到的參考信號(hào)如圖4（a）所示。圖4（b）為提取每一幅瞬態(tài)速度場(chǎng)x／D＝4，y／D＝0處的速度矢量v分量得到的一列沿時(shí)間序列信號(hào)。對(duì)比兩列信號(hào)曲線(xiàn)可以看出互相關(guān)系數(shù)信號(hào)呈明顯的周期分布，且該周期分布頻率與法向速度脈動(dòng)頻率一致。

以全場(chǎng)互相關(guān)系數(shù)作為相位識(shí)別信號(hào)，對(duì)2000幅速度場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行了相位平均處理，一共提取出8個(gè)相位，分別為0～7／8T，如圖5所示。由圖5可以比較清晰地看出旋渦交替脫落并向下游輸送從而形成卡門(mén)渦街的整個(gè)過(guò)程。

圖4 互相關(guān)系數(shù)和單點(diǎn)速度信號(hào)Fig.4 Cross－correlation coefficients and single point velocity signal

圖5 相位平均速度場(chǎng)Fig.5 Phased averaged velocity field

3 結(jié) 論

筆者系統(tǒng)地分析了高頻響流場(chǎng)測(cè)試TR－PIV系統(tǒng)的三大關(guān)鍵技術(shù)，即高速相機(jī)、高頻響激光器及高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)。結(jié)合TR－PIV實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要求，對(duì)商業(yè)高速相機(jī)和高頻響激光器技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹和分析。此外，TR－PIV實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)圖像文件對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸帶寬的高要求，制約著實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集頻率和總實(shí)驗(yàn)時(shí)間兩個(gè)參數(shù)。結(jié)合作者所在課題組近年來(lái)在高頻響流場(chǎng)測(cè)試TR－PIV系統(tǒng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)3種高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)介紹與對(duì)比分析。建立了基于PCI－E間接存儲(chǔ)技術(shù)的TR－PIV流場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)對(duì)低速水槽中自由來(lái)流方柱繞流場(chǎng)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)采樣，采樣頻率110Hz。對(duì)法向速度分量信號(hào)所進(jìn)行的FFT分析以及互相關(guān)分析清晰地獲取了旋渦結(jié)構(gòu)的變化特征。該研究結(jié)果對(duì)于集成建立高頻響TRPIV測(cè)試系統(tǒng)及其應(yīng)用推廣具有較好的指導(dǎo)意義。

［1］ CIERPKA Christian，WEIER Tom，GERBETH Gunter.Evolution of vortex structures in an electromagnetically excited separated flow［J］.Experiments in Fluids，2008，45（5）：943－953.

［2］ SHI Liu－liu，LIU Ying－zheng，WAN Jin－jin.TR－PIV measurement of separated and reattaching turbulent flow over a surface－mounted square cylinder［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2009，24（1）：421－428.

［3］ WANG Z Jane，BIRCH James M，DICKINSON Michael H.Unsteady forces and flows in low Reynolds number hovering flight：two－dimensional computations vs robotic wing experiments［J］.The Journal of Experimental Biology，2004，207：449－460.

［4］ SKEEN Andrew.The development of high－speed PIV techniques and their application to jet noise measurement［D］.University of Warwick School of Engineering，2006.

［5］ New Wave website.http：／／www.samwoosc.co.kr／pdf／new－wave／PV－PEG－DSa4－0311，pdf.

［6］ 余俊，萬(wàn)津津，施鎏鎏，等.基于連續(xù)式激光光源的TR－PIV測(cè)試技術(shù)［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，43（8）：1254－1257.

［7］ HAIN Rainer，KAEHLER Christian J，TROPEA Cam.Comparison of CCD，CMOS and intensified cameras［J］.Exp.Fluids，2007，42：403－411.

［8］ 萬(wàn)津津，施鎏鎏，余俊，等.貼壁方柱湍流場(chǎng)TR－PIV實(shí)驗(yàn)研究［J］.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2009，23（2）：31－35.

［9］ WESTERWEEL J，DABIRI D，GHARIB M.The effect of a discrete window offset on the accuracy of cross－correlation analysis of digital PIV recordings［J］.Experiments in Fluids，1997，23：20－28.

［10］YASUHIKO S，NISHIO Y，OKUNO T，et al.A highly accurate iterative PIV technique using agradient method［J］.Measure Science and Technology，2000，11：1666－1673.

［11］HUSSAIN A K M F.Coherent structures and turbulence［J］.Fluid Mech，1986，173：303－356.

［12］YU Jun，SHI Liu－liu，WANG Wei－zhe，et al.Conditional averaging of TR－PIV measurements of wake behind square cylinder using an improved cross correlation approach［J］.Journal of Hydrodynamics，2010，22（1）：29－34.