1、中文 4100 字 光学与激光工程 9 (1988) 265-276 粒子图像测速法在水波研究中的应用 C. G r a y & C A 著 爱丁堡大学，物理系，詹姆斯 克拉克 麦克斯韦大楼 英国，爱丁堡，梅菲尔德路 ,国王大楼 摘要 本文论述了粒子图像测速法 (PIV)在测量水下水波速度分布中的应用。通过 强力的 连续波氩离子激光器照射， 二维水波在实验室波浪水槽中的测量区域中产 生。影片中的图像记录和随后的电光分析提供了速度场内通过波的位移情况。本 文通过典型实验结果并结合线性波理论对比来阐明此 技术的准确性和可靠性。 引言 对水下波速分布的研究是一个相当实用的课题，因为这些相关知识对专注
2、于 海洋结构的预测而言尤为重要。在许多情况下，尤其是当波纹遭破坏或达到一个 不稳定的点时，没有可利用的分析性或计算性的技术为此提供一些可靠的结果。 在这类情况下，设计师们必须依靠模拟实验室里的波纹（做研究）并且要充分利 用测试扩展法。 实验测量中对诸如传统的微型螺旋桨米或热丝风速计的速度探测是一个难 点 , 因为这些要素要么在波环境下不能准确反应，要么遭受严峻的校准问题。激 光多普勒风度测量法已被成功用于测量水下水波速度，但在应用中许多问题随之 而来。而与之关联的最主要的问题是：当测量结果被记录在水平波槽上方时，激 光束只是一部分浸入于水波周期。 当先进的计算机技术被用于分析多普勒信号时，这些
3、问题就可能被解决，并 且关于速度分布的具体研究现也已被用于结构设计上。尽管取得了这些进展 , 但 这种类型的测量装置的基本限制依然存在。对于水波的研究，设计师们通常仅对 一个特定表面轮廓下的速度的矢量图感兴趣。然而，激光多普勒技术是测量任意 给定的时刻下空间中的一个固定的点。只有在存疑波形可 被准确地重复多次的情 况下，完整的矢量图方可被构建。探测器被移至一个一个连续的点，一列列波穿 过流场随之产生。这需要使用复杂的波生成技术，以确保必要的可重复性。而在 随机海浪和单一事件情况下，这种程序则不可用。 粒子图像测速法 (PIV)是一种非侵入性的技术，它可捕获即时条件下波箱内 完整的二维流场。此外
4、，这种方法还操作简单。水中播种着中立活跃的微小颗粒， 被一条平面的脉冲激光照射着。传统的相机操作，当曝光时间超过了脉冲期间时 胶卷上会暴露出两个 (有时会出现多个 )移动的粒子图像 。通过一束低功率激光照 射在已成型胶片上一个恰当的点上可得出粒子对的位移情况，这就决定了在任何 特定时刻下的（粒子的）速度。杨氏条纹在衍射图样中形成，其分离与取向与这 些粒子直接相关。 本文中呈现的结果已被记录在 PIV 分析专用波槽中。这类光学系统包括一 个 2 0 W 的连续波激光器。先使用一个与微机相连的摄像机和帧存储来捕获条 纹，再通过一个快速傅里叶变换程序做出二维分析。 波箱和摄影系统 为了使用粒子图像测
5、速法研究水波下的流畅状况，必须建立基于波浪水槽的 特制玻璃 (见图 1)。水槽为 6 米 0.33 米，水深 0.53 米。波浪是通过铰链式划桨 产生，在扩张的铝网的折叠层内搁浅。水槽较狭窄，加上紧密配合的造波池面， 确保了波的二维生成。在这里，没有明显的垂直于水槽的流体运动。一束 0.32 米宽 3 毫米厚的氩离子激光被用于照亮水槽内有效平面，通过玻璃基地进入水 槽，再通过水纹向上传递，这时（光）是垂直于基地且与玻璃两边平行。通过使 用一个短焦距的柱面透镜，光从激光扩展成可获取的片状光。前置的银制镜反映 出通过水槽底部被照亮的激光的扩张形状。为了使它长度略弯，镜子从后被张拉， 这样才能达到准
6、直光线的效果。由于光线入射时垂直于玻璃基地，不必要的反射 会被降至最低。当使用一束高功率激光时，通过反射时损失的光就相当重要。采 取措施减少这种影响 (包括扩大镜头的多层涂镀 )帮助光线最大化到达测量表面， 同时减少因强烈的反射而造成眼部损伤的风险。控制水槽中光片的扩张也有助于 保持一个恒定光强度，垂直通过测量区。否则，随着光持续扩展，它朝向水槽时 就不会那么强烈。 水槽内的水中播种着大量的针叶树花粉。和其他播种材料（比如乳胶球）相 比，针叶树花粉是很便宜的，而乳胶球置于装有水的波浪槽（ 1000 公升）中是 非常昂贵的，因此这种形式的播种是适合此应用程序的。花粉也是一种好的播种 介质，因为它在水中具有平衡浮力，所有的粒子尺寸相似 (约 50 100 微米 )，并 且它可散射光。 这种曝光是用 400ASA 单色胶片制成，这样短脉冲时间（ 0.002 秒）就非常 充足，可用来计算感光乳剂。用一个标准的 35
