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 工业技术

PIV技术在絮体特征和流场测量中的研究进展

发布时间:2020-05-22 点击: 来源:工业工程
混凝是通过水流流动的能量消耗,促使水中胶体颗粒在混合阶段脱稳,细小的悬浮颗粒凝聚,并逐步形成能满足沉降分离要求的较大絮体的过程[1]。通过絮体检测可获取粒度、分形维数等表征絮体特性的特征参数。流场测量可反映混凝流场的水力条件及其对絮体间颗粒碰撞效率的影响。在当前研究中,絮体检测存在着流场扰动、絮体失真和时滞性等问题,对检测精度和效率造成不利影响;因流场具有三维立体、时变性、非定向性等特性,难以对复杂流场进行定量表征。
粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry,简称PIV)是一种在流场显示技术的基础上,利用计算机图像处理技术对流场多点、瞬时、非接触式测量[2,3]。其中,基于示踪粒子的多点测量,可获得流场多点[收稿日期:2017
基金项目:国家自然科学基金项目(61640217),江西省科技成果转移转化计划项目(20161BBI90033),
第一作者与通讯作者:胡锋平(1968-),男,博士,教授,主要从事水与废水处理理论与技术研究。电话:13970867302, E-mail:hufengping22@126.com
]速度矢量分布,对复杂流场进行定量表征;瞬时、非接触式测量不会对流场产生扰动,可有效减少絮体失真和时滞性对絮体检测影响。该技术检测结果直观,易于总结规律,是研究流场对混凝过程影响的有力手段[4]。

1 PIV技术的组成及其原理
PIV系统主要由激光光源、待测流场、高速CCD数字相机、计算机、图像处理软件系统等部分组成(如图1所示)。其主要原理是通过在流场中散布示踪粒子,在激光光源的照射下,通过高速CCD数字相机采集多组图像数据,经计算机算法和图像处理技术得到流场中多点速度矢量,从而对流场进行测量[5]。

图1 PIV系统示意图
其中,示踪粒子的性质对测试结果的精确性有着巨大的影响。示踪粒子需要具备以下两点特性[6]:(1)散射性,保证图像信息具有较高信噪比;(2)跟随性,有效反映流场中各点的速度矢量。针对以上两点,Chi[7]和李恩邦[8]等对示踪粒子进行了深入研究。前者在实验过程中发现通过化学方法在示踪粒子表面形成银质表层,增加其反射率,可有效提高测试结果精确性;后者通过对紊流中示踪粒子跟随性分析得出,与流体密度相近的中性悬浮粒子具有良好的跟随性。