PIV

　　粒子图像测速技术（PIV，Particle Image Velocimetry）自20世纪80年代发展至今，已成为流体力学实验研究中最为重要的流速场测量手段之一。其核心原理是通过记录流场中示踪粒子在短时间间隔内的位移，结合图像处理算法计算出流体的速度分布。与传统单点测量技术如热线风速仪或激光多普勒测速仪不同，PIV能够非侵入式地获取全流场的瞬时速度信息，既保持了流场结构的完整性，又具备较高的时空分辨率。

PIV系统中的片激光及粒子图像

　　粒子图像测速技术作为现代流场测量领域的革命性工具，已从实验室走向广泛工程应用，成为流体力学研究中不可或缺的重要手段。
1.PIV系统的组成和工作流程
　　PIV测量系统主要包括光源系统、PIV同步系统、图像拍摄系统和图像分析系统四部分。其中，光源系统负责提供稳定、均匀的光源，以保证成像质量和测量精度；图像拍摄系统则包括透镜、高速相机等，负责捕捉示踪粒子散射光形成的图像；图像分析系统则通过专用软件对图像进行实时采集和存储，并进行数据处理和分析。

PIV粒子图像测速系统

　　PIV系统的工作流程分四个关键环节：示踪粒子布撒、流场照明、图像采集和图像处理。
示踪粒子的选择至关重要，理想粒子应具有良好的流动跟随性和光散射特性，常用材料包括空心玻璃微珠、荧光微球或油雾微粒，其直径通常为1-100μm，密度尽可能接近流体以减少滑移。
　　流场照明系统多采用连续或脉冲激光器，通过鲍威尔棱镜或柱面镜将激光束整形成薄片光（二维PIV）或一定厚度的体光（三维PIV），照亮待测流场区域。
　　图像采集由高灵敏度、高帧率的科学级CCD或CMOS相机完成，通常需要至少两次曝光以记录粒子位置变化。
2.PIV系统的技术类型
　　PIV技术的测量维度已从最初的二维平面测量发展为真正的三维体测量。传统二维PIV只能获得平面内两个速度分量（u,v），而立体PIV(Stereo PIV）通过双相机斜视角成像可提取三维速度场中两个分量或所有三个分量（2D-3C或3D-3C）。更先进的层析PIV(Tomo-PIV）则利用多相机（通常4～6台）系统结合层析重建算法，实现全三维三分量（3D-3C）速度场测量，标志着PIV技术进入三维流场诊断的新纪元。

主要PIV技术类型及特性比较表：

技术类型	测量维度	优势	局限性	典型应用
二维PIV	2D-2C	简单可靠、成本低	缺失垂直分量、平面限制	常规流场诊断
立体PIV	2D-3C	获取三个速度分量	仍限于平面测量	翼尖涡、边界层
层析PIV	3D-3C	真三维测量、高浓度	系统复杂、计算量大	复杂三维流场
时间解析PIV	2D/3D	高时间分辨率	空间分辨率较低	湍流脉动、非定常流
微尺度PIV	2D-2C/3C	微米级分辨率	速度范围受限	微流控系统
大视场PIV	2D-2C/3C	米级视场	系统庞大、成本高	风洞、水洞实验

3.PIV系统的典型应用
　　粒子图像测速技术凭借其非侵入性、全场测量和高精度等特点，已渗透到流体力学研究的各个领域，从基础科学研究到工业应用开发，从宏观尺度到微观尺度，PIV技术为解决复杂流动问题提供了不可或缺的实验手段。
在空气动力学研究中，PIV技术已成为风洞实验的标准配置，用于飞行器和车辆表面绕流场、尾迹涡系结构的精细测量。传统接触式测量方法如压力探针会干扰流场，而PIV则能无扰动地获取全流场信息。在翼型研究中，PIV成功揭示了边界层转捩、流动分离和动态失速过程中复杂涡结构的演化规律，为改进气动设计提供关键数据。

　　在风力发电领域，PIV技术广泛应用于风力机尾流特性研究。大型风力机下游的尾流干扰会显著降低风电场整体效率，通过大视场PIV测量，研究者量化了不同大气稳定度下尾流的恢复长度和湍流掺混特性，为优化风电机组布局提供科学依据。
船舶水动力学研究长期受益于PIV技术的应用。在拖曳水池实验中，PIV系统清晰地显示出船体周围的边界层结构和尾流场特征，为评估船型阻力性能提供直观依据。某型集装箱船的球鼻艏优化案例中，层析PIV技术完整记录了不同航速下球艏兴波与船体波的干扰过程，指导设计出波阻降低12%的优化线型。水下航行体研究则采用匹配折射率技术，消除了固液界面光学畸变，成功测量了边界层转捩和湍流猝发事件的空间尺度。

三维螺旋桨流场的PIV测试

　　心血管流动研究是PIV技术在生物医学领域的典型应用。通过搭建透明血管模型和匹配折射率的循环系统，研究者利用PIV量化了动脉狭窄下游的涡流大小和剪切应力分布，这些参数与动脉粥样硬化斑块的形成位置高度相关。时间解析PIV进一步捕捉了心脏搏动周期中流场特征的瞬态变化，为人工心脏瓣膜设计提供验证数据。近期研究还将PIV与光学相干层析成像（OCT）结合，实现了真实血管内红细胞速度场的深度分辨测量，轴向分辨率达10μm。