基于2台PIV高速摄像机对侧布局方式的圆柱绕流2D3C流场测量实验

流体力学实验中，粒子图像测速（PIV）技术是研究复杂流场结构的重要手段。常规的高速摄像机同侧布局方式会遇见空间受限如旋转机械、紧凑流道的场景，导致视野受限（图1左）。千眼狼研发工程师，创新性采用高速摄像机对侧布局方案（图1右），通过2台高速摄像机从水洞两侧同步拍摄，实现对圆柱绕流流场的测量，该方案可有效避免同侧布局的视野遮挡问题，提升复杂场景下的数据可靠性。

图1（左）                           图1（右）

1）水洞：可调流速范围0.1~1.0m/s，配8cm PVC材质圆柱模型；

2）千眼狼PIV粒子图像测速系统：由2台PIV高速摄像机，532nm连续激光器，RFlow4流场测量软件。

1）将2台PIV高速摄像机呈对称布局，夹角180°（如图2），光轴与水流方向垂直，基线距圆柱中心50cm，确保视场重叠区域覆盖圆柱扰动区。

图2

2）使用双层圆点标定板固定在位移平台上，放入水洞中，进行三维标定，左右相机视场重叠区热力图显示匹配误差＜0.1 pixel。

3）撤出标定板，注入示踪粒子，关闭环境光源，打开激光照明，激光平面与圆柱轴线对齐。

4）同步触发2台高速摄像机采集500帧粒子图像。

5）使用千眼狼流场测量软件RFlow，依次完成基于经典PIV-单通道方法的流场计算，基于伽利略/雷诺/POD算法的流场分解分析，基于Q准则/λ?法的涡结构识别分析，以验证对侧布局方式流场观测有效性。

1）流场基本特征：

时均速度场云图，圆柱后方形成对称卡门涡街，尾流区速度降低。

脉动速度场雷诺分解云图显示，高频湍动能集中于涡脱落区。

图3

2）流场稳定性验证

通过伽利略分解法分析流场扰动速度幅值无增长趋势（图4），证实流场处于稳定状态，满足分析基本条件。

图4

3) POD模态分析

前3~5阶模态主导能量分布，重构流场已保留主要物理特征。

高阶模态（12阶）数值很小，云图基本都是蓝色（图5），表明12阶及其之后基本为噪声数据。

保存11阶模态及每帧数据对应该模态的幅值系数，使用前3~5阶模态重构出完整的流场物理学特性，之后更高阶可以带来更多的流场细节，但同时也会引入更多噪声（如图6），具体使用第K阶模态，可根据实验目标灵活调整。

图5

图6

4) 涡结构识别

分别采用Q准则（图6左）、λ?准则（图6右）进行涡结构计算。

Q准则下可清晰区分涡核与剪切层。λ?准则下涡核和涡边界识别最为清晰，但计算时间较长。

               图6左                         图6右

1）通过精密标定与同步控制，对侧布局PIV高速摄像机方式可解决同侧拍摄视野遮挡问题，在旋转流体机械、狭窄风洞场景中具有工程应用价值。

2）基于对侧布局方式捕捉的2D3C序列流场图像，利用RFlow流场测量软件POD分解法进行流场特性分析，使用前3~5阶本征模态重构可较为完整、低噪表征核心流动结构。

3）涡识别两种准则可计算表征涡的生成、发展、脱落以及相互作用的过程，Q准则可作为常规分析默认方法，精细化分析需求建议采用λ?准则。