1、實(shí)驗(yàn)背景
噴淋系統(tǒng)在工業(yè)冷卻、安全工程、化工反應(yīng)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，噴淋口內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)如收縮角、出口直徑等直接影響液滴分布、噴射速度、覆蓋范圍及噴淋效率。
粒子圖像測(cè)速PIV技術(shù)作為一種非侵入式全場(chǎng)流速測(cè)量技術(shù)，常用于各類(lèi)流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究中，但高速?lài)娏艿囊旱芜\(yùn)動(dòng)速度極高，普通高速攝像機(jī)時(shí)間分辨能力欠缺，難以清晰捕捉瞬態(tài)射流結(jié)構(gòu)，且強(qiáng)散射背景下百微米級(jí)液滴的捕捉對(duì)圖像信噪比要求極高，普通高速攝像機(jī)受感光度限制，在經(jīng)濟(jì)型低功率激光器下無(wú)法看清小液滴。
某實(shí)驗(yàn)室利用中科君達(dá)視界提供的千眼狼高感光度高速攝像機(jī)NEO25，搭載低能量的連續(xù)激光器和粒子圖像測(cè)速PIV軟件，經(jīng)濟(jì)且高效地實(shí)現(xiàn)噴淋流場(chǎng)的精確測(cè)量。
2、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象與工況
實(shí)驗(yàn)對(duì)象為模擬噴淋裝置，工作介質(zhì)為粒徑范圍100~200 μm水基液滴，噴射初速度約為20 m/s。
2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
高速成像設(shè)備：采用千眼狼高感光度高速攝像機(jī)NEO 25， 1280×1024@ 25000 fps。
光源系統(tǒng)：532 nm連續(xù)激光器，功率10 W。
粒子圖像測(cè)速PIV軟件：采用千眼狼Rflow4流場(chǎng)測(cè)量軟件。
2.3 實(shí)驗(yàn)流程
搭建并校準(zhǔn)PIV實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將高感光度高速攝像機(jī)NEO25配備50 mm f/1.4定焦鏡頭，垂直布置在激光片平面方向，確保高速攝像機(jī)傳感器平面與激光片平行。
根據(jù)預(yù)估流速和視場(chǎng)大小，采集幀率設(shè)置為10,000 fps，可保證液滴在幀間隔時(shí)間100 μs內(nèi)的位移被有效捕捉，滿(mǎn)足互相關(guān)算法要求。曝光時(shí)間設(shè)置為20 μs，小于幀間隔，以?xún)鼋Y(jié)高速運(yùn)動(dòng)的液滴，避免出現(xiàn)拖影。同時(shí)NEO25高速攝像機(jī)高感光度的優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了短曝光帶來(lái)的總光量不足。
對(duì)NEO25捕捉的圖像序列進(jìn)行速度矢量計(jì)算，第一輪使用64×64像素并逐步減小至32×32像素，獲得瞬時(shí)速度矢量場(chǎng)，并對(duì)異常矢量通過(guò)中值濾波進(jìn)行替換。
基于處理得到的大量瞬時(shí)速度矢量場(chǎng)計(jì)算時(shí)均速度場(chǎng)，用于分析噴淋流場(chǎng)的平均結(jié)構(gòu)和湍流特性。
3、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
3.1 原始噴淋圖
在NEO25高速攝像機(jī)捕捉的原始圖像中，液滴在渦旋作用下不斷被拋射、加速或減速，在渦旋交匯區(qū)域，可辨識(shí)液滴的碰撞、合并及大液滴的二次破碎現(xiàn)象(圖1)。這些微觀(guān)行為決定了液滴的粒徑分布，是評(píng)判噴淋效率的關(guān)鍵。
圖1 高感光度高速攝像機(jī)NEO25捕捉的原始圖像
3.2瞬時(shí)速度云圖
瞬時(shí)速度云圖展示了噴淋出口處的高速射流核心區(qū)，形態(tài)并非呈完美的對(duì)稱(chēng)錐形分布，而是呈現(xiàn)出明顯的脈動(dòng)和彎曲，表明射流本身存在內(nèi)在的不穩(wěn)定性。通過(guò)計(jì)算并可視化對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)渦量場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)大量尺度各異的渦旋結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生于高速射流與周?chē)o止空氣之間的強(qiáng)剪切層中，剪切層失穩(wěn)后，渦旋經(jīng)歷卷起、配對(duì)、合并、耗散過(guò)程，促進(jìn)液滴與空氣、液滴與液滴之間的動(dòng)量與質(zhì)量交換（圖2）。
圖2 經(jīng)PIV測(cè)量軟件處理的瞬時(shí)速度云圖
3.3 時(shí)均速度云圖
利用千眼狼PIV流場(chǎng)測(cè)量軟件Rflow4對(duì)大量瞬時(shí)流場(chǎng)進(jìn)行平均，揭示了噴淋流場(chǎng)的整體流動(dòng)性能。時(shí)均速度云圖呈現(xiàn)出清晰、對(duì)稱(chēng)性較好的射流形態(tài)，可梯度分為射流核心區(qū)、過(guò)渡區(qū)、邊緣區(qū)。時(shí)均速度場(chǎng)云圖顯示，受卷吸作用影響，時(shí)均速度沿軸向逐漸衰減，沿徑向呈高斯分布特征（見(jiàn)圖3）。時(shí)均速度場(chǎng)云圖可視化展示了噴淋頭的覆蓋范圍和速度衰減規(guī)律，成為評(píng)估噴淋系統(tǒng)能否有效覆蓋目標(biāo)區(qū)域的核心指標(biāo)。本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示噴淋覆蓋范圍符合設(shè)計(jì)預(yù)期。
圖3 經(jīng)PIV測(cè)量軟件處理的時(shí)均速度云圖
4、實(shí)驗(yàn)結(jié)論
實(shí)驗(yàn)利用中科君達(dá)視界提供的千眼狼高感光度高速攝像機(jī)NEO25與2D2C PIV系統(tǒng)，在低功率激光器條件下完成對(duì)高速?lài)娏芰鲌?chǎng)精確測(cè)量，實(shí)驗(yàn)主要結(jié)論如下：
I. 瞬態(tài)云圖分析表明高速?lài)娏芰鲌?chǎng)是一個(gè)非定常復(fù)雜湍流系統(tǒng)，瞬態(tài)云圖是分析流動(dòng)非定常特性和相干結(jié)構(gòu)的直接依據(jù)；時(shí)均分析云圖宏觀(guān)上驗(yàn)證了噴淋系統(tǒng)覆蓋范圍和平均動(dòng)能，瞬態(tài)與時(shí)均分析相結(jié)合，可較為完整描繪噴淋流場(chǎng)的物理規(guī)律。
II. 高感光度高速攝像機(jī)有效補(bǔ)償了低功率激光器的能量限制，實(shí)現(xiàn)低能量連續(xù)激光器下的高質(zhì)量PIV成像，為噴淋系統(tǒng)優(yōu)化及成本控制提供穩(wěn)定、可靠的技術(shù)路徑。
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