基于高感光度高速攝像機NEO25的噴淋流場PIV實驗

1、實驗背景

噴淋系統(tǒng)在工業(yè)冷卻、安全工程、化工反應領域應用廣泛，噴淋口內部幾何結構如收縮角、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。

粒子圖像測速PIV技術作為一種非侵入式全場流速測量技術，常用于各類流場實驗研究中，但高速噴淋的液滴運動速度極高，普通高速攝像機時間分辨能力欠缺，難以清晰捕捉瞬態(tài)射流結構，且強散射背景下百微米級液滴的捕捉對圖像信噪比要求極高，普通高速攝像機受感光度限制，在經濟型低功率激光器下無法看清小液滴。

某實驗室利用中科君達視界提供的千眼狼高感光度高速攝像機NEO25，搭載低能量的連續(xù)激光器和粒子圖像測速PIV軟件，經濟且高效地實現噴淋流場的精確測量。

2、實驗設計

2.1 實驗對象與工況

實驗對象為模擬噴淋裝置，工作介質為粒徑范圍100~200 μm水基液滴，噴射初速度約為20 m/s。

2.2 實驗設備

高速成像設備：采用千眼狼高感光度高速攝像機NEO 25，1280×1024@ 25000 fps。

光源系統(tǒng)：532 nm連續(xù)激光器，功率10 W。

粒子圖像測速PIV軟件：采用千眼狼Rflow4流場測量軟件。

2.3 實驗流程

搭建并校準PIV實驗系統(tǒng)，將高感光度高速攝像機NEO25配備50 mm f/1.4定焦鏡頭，垂直布置在激光片平面方向，確保高速攝像機傳感器平面與激光片平行。

根據預估流速和視場大小，采集幀率設置為10,000 fps，可保證液滴在幀間隔時間100 μs內的位移被有效捕捉，滿足互相關算法要求。曝光時間設置為20 μs，小于幀間隔，以凍結高速運動的液滴，避免出現拖影。同時NEO25高速攝像機高感光度的優(yōu)勢彌補了短曝光帶來的總光量不足。

對NEO25捕捉的圖像序列進行速度矢量計算，第一輪使用64×64像素并逐步減小至32×32像素，獲得瞬時速度矢量場，并對異常矢量通過中值濾波進行替換。

基于處理得到的大量瞬時速度矢量場計算時均速度場，用于分析噴淋流場的平均結構和湍流特性。

3、實驗數據

3.1 原始噴淋圖

在NEO25高速攝像機捕捉的原始圖像中，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，可辨識液滴的碰撞、合并及大液滴的二次破碎現象(圖1)。這些微觀行為決定了液滴的粒徑分布，是評判噴淋效率的關鍵。

圖1 高感光度高速攝像機NEO25捕捉的原始圖像

3.2瞬時速度云圖

瞬時速度云圖展示了噴淋出口處的高速射流核心區(qū)，形態(tài)并非呈完美的對稱錐形分布，而是呈現出明顯的脈動和彎曲，表明射流本身存在內在的不穩(wěn)定性。通過計算并可視化對應的瞬時渦量場，發(fā)現大量尺度各異的渦旋結構，產生于高速射流與周圍靜止空氣之間的強剪切層中，剪切層失穩(wěn)后，渦旋經歷卷起、配對、合并、耗散過程，促進液滴與空氣、液滴與液滴之間的動量與質量交換（圖2）。

圖2 經PIV測量軟件處理的瞬時速度云圖

3.3 時均速度云圖

利用千眼狼PIV流場測量軟件Rflow4對大量瞬時流場進行平均，揭示了噴淋流場的整體流動性能。時均速度云圖呈現出清晰、對稱性較好的射流形態(tài)，可梯度分為射流核心區(qū)、過渡區(qū)、邊緣區(qū)。時均速度場云圖顯示，受卷吸作用影響，時均速度沿軸向逐漸衰減，沿徑向呈高斯分布特征（見圖3）。時均速度場云圖可視化展示了噴淋頭的覆蓋范圍和速度衰減規(guī)律，成為評估噴淋系統(tǒng)能否有效覆蓋目標區(qū)域的核心指標。本次實驗結果顯示噴淋覆蓋范圍符合設計預期。

圖3 經PIV測量軟件處理的時均速度云圖

4、實驗結論

實驗利用中科君達視界提供的千眼狼高感光度高速攝像機NEO25與2D2C PIV系統(tǒng)，在低功率激光器條件下完成對高速噴淋流場精確測量，實驗主要結論如下：

I. 瞬態(tài)云圖分析表明高速噴淋流場是一個非定常復雜湍流系統(tǒng)，瞬態(tài)云圖是分析流動非定常特性和相干結構的直接依據；時均分析云圖宏觀上驗證了噴淋系統(tǒng)覆蓋范圍和平均動能，瞬態(tài)與時均分析相結合，可較為完整描繪噴淋流場的物理規(guī)律。

II. 高感光度高速攝像機有效補償了低功率激光器的能量限制，實現低能量連續(xù)激光器下的高質量PIV成像，為噴淋系統(tǒng)優(yōu)化及成本控制提供穩(wěn)定、可靠的技術路徑。