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空气动力学实验方法：粒子图像测速(PIV)技术在航空航天

领域的应用

1引言

1.1PIV技术的简介

粒子图像测速（ParticleImageVelocimetry，简称PIV）是一种非接触式的流

场测量技术，它通过在流体中引入微小的粒子，然后使用高速相机捕捉这些粒

子在流场中的运动图像，进而分析流体的速度场和流动特性。PIV技术能够提供

二维或三维的流场信息，对于理解和优化航空航天工程中的气动性能至关重要。

1.1.1工作原理

PIV系统主要由以下几个部分组成：-粒子注入：在流体中注入微小的粒子，

这些粒子应具有良好的流体跟随性，即粒子的运动应与流体的运动一致。-照

明系统：使用激光或闪光灯对粒子进行短暂的照明，产生粒子的图像。-图像

采集：通过高速相机捕捉粒子在流场中的图像，通常需要两幅或更多的图像来

计算粒子的位移。-图像处理：对采集到的图像进行处理，包括粒子识别、位

移计算和速度场重建。

1.1.2图像处理算法示例

PIV的图像处理算法通常涉及图像的交叉相关分析，以下是一个简单的

Python代码示例，用于计算两幅图像之间的位移：

importnumpyasnp

importcv2

#加载两幅图像

img1=cv2.imread(image1.jpg,0)

img2=cv2.imread(image2.jpg,0)

#使用OpenCV的calcOpticalFlowFarneback函数计算光流

flow=cv2.calcOpticalFlowFarneback(img1,img2,None,0.5,3,15,3,5,1.2,0)

#计算平均位移

avg_displacement=np.mean(np.sqrt(flow[...,0]**2+flow[...,1]**2))

print(f平均位移:{avg_displacement})

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1.1.3数据样例

假设我们有两幅粒子图像，image1.jpg和image2.jpg，它们分别代表了流体

在不同时间点的状态。通过上述代码，我们可以计算出粒子在这两幅图像之间

的平均位移，进而推算出流体的速度。

1.2PIV在航空航天工程中的重要性

在航空航天领域，PIV技术被广泛应用于风洞实验中，以测量飞机模型周围

的气流速度和方向，帮助工程师理解气动特性，优化飞机设计，减少阻力，提

高飞行效率。PIV能够提供高分辨率的流场数据，这对于分析复杂流动现象，如

湍流、分离流和激波等，是不可或缺的。

1.2.1应用案例

例如，在设计超音速飞机时，工程师需要精确测量激波的位置和强度，以

评估飞机的气动加热和结构应力。PIV技术能够提供这些关键信息，帮助设计更

安全、更高效的飞机。

1.2.2实验设置

PIV实验通常在风洞中进行，风洞是一个能够产生可控气流的实验装置。飞

机模型放置在风洞中，通过PIV系统测量模型周围气流的速度和方向。实验设

置包括：-风洞：提供稳定的气流环境。-粒子注入系统：确保粒子均匀分布于

流体中。-照明系统：使用激光片光或闪光灯照明粒子。-高速相机：捕捉粒子

图像。-图像处理软件：分析图像，计算流场数据。

通过PIV技术，航空航天工程师能够获得宝贵的流场信息，这对于飞机的

气动设计和性能优化具有重要意义。

2PIV技术原理

2.1激光光源与粒子追踪

粒子图像测速(PIV)技术是一种非接触式的流场测量方法，广泛应用于空气

动力学研究中，特别是在航空航天领域。PIV通过在流体中引入微小的粒子，并

使用激光光源照亮这些粒子，然后通过高速相机捕捉粒子在流场中的运动图像，

来分析流体的速度场。

2.1.1激光光源

PIV系统中的激光光源通常采用双脉冲激光器，如Nd:YAG激光器。激光器

发出的光束经过光学系统后，形成一个薄薄的激光片，照射到流体中，使得流

体中的粒子被照亮，形成所谓的“粒子图像”。双脉冲激光器可以在短时间内

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（通常为微秒级）发出两次激光脉冲，这两次脉冲的时间间隔可以根据需要调

整，以捕捉粒子在不同时间点的位置。

2.1.2粒子追踪

在PIV实验中，粒子的选择至关重要。粒子应当具有良好的光学特性，如

高反射率或散射率，同时粒子