基于PIV的明渠紊流压强场测量技术研究

摘要

基于粒子图像测速（particle image velocimetry,PIV）的压强场测量技术可实现流动内部瞬时压强的非接触式、高时空分辨率的全场测量。本文采用欧拉法根据时间解析的速度场重构压强梯度场，再采用虚拟边界全向积分法结合边界条件得到压强场，实现了基于PIV的明渠紊流压强场测量技术。为了使用基于PIV的压强场测量技术准确测量明渠紊流压强场，利用时间解析的明渠紊流直接数值模拟数据和PIV速度场对该测量技术的精度、误差来源及主要影响因素进行了分析。基于本文数据，发现该测量技术的测量结果几乎无平均偏差，但均方根误差相对较大，约为25%；通过分析由速度场重构压强梯度场及由压强梯度场积分得到压强场两个阶段的测量误差表明，压强场测量误差主要发生在由速度场重构压强梯度场这一阶段，主要受流场测量参数和边界条件给定方法的影响。进一步分析了上述主要影响因素对压强测量误差的影响规律，发现压强场测量误差随流场采样时间间隔的增加而增大，随流场测点间距的增加先减小后增大；基于本文数据得到在内尺度无量纲测点间距约为7时误差最小，但该测点间距最优值的普适性尚待更多数据支撑；在矩形测量区域边界4个角点布置压强边界点时，压强场测量误差会显著降低。将该压强场测量技术初步应用于明渠均匀紊流，发现时均压强测量结果较为准确，压强紊动强度测量结果误差相对较大，但垂向分布趋势接近。研究结论为明渠紊流压强场的试验测量提供理论依据和实践参考。

关键词

压强测量 / 明渠紊流 / PIV / 测量精度 / 误差来源

基金资助

中央高校基本科研业务费专项资金（2020JBM044）; 青海省重点研发与转化计划科技成果转化专项项目（2021–SF–161）; 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室开放研究基金资助课题（sklhse–2020–B–03）