高速攝像機與粒子圖像測速（PIV）系統(tǒng)在流體力學中的應用：生物流體與能源工程研究的新工具

隨著流體力學研究不斷向生物流體、能源工程等跨學科領(lǐng)域拓展，先進的實驗測量技術(shù)成為連接基礎研究與工程應用的橋梁。

近日，中科君達視界千眼狼（Revealer）高速攝像機粒子圖像測速PIV測量系統(tǒng)參與了在劍橋大學博士后交流中心舉辦的第三屆流體力學青年論壇（Third Young Scholar Conference for Fluid Dynamics），本次論壇匯聚了來自劍橋大學、牛津大學、帝國理工學院、UCL、愛丁堡大學等高校的青年學者，圍繞流體力學前沿研究及其跨領(lǐng)域應用展開交流。

高速攝像機與PIV測量系統(tǒng)，揭示復雜流動物理機制的重要工具

現(xiàn)代流體力學研究中，許多關(guān)鍵現(xiàn)象發(fā)生在極短時間尺度和復雜空間結(jié)構(gòu)中，如湍流結(jié)構(gòu)演化、流體界面破裂、微尺度生物流動等。

高速攝像機（High-speed Camera）結(jié)合粒子圖像測速技術(shù)PIV技術(shù)，已成為實驗流體力學中最重要的測量工具之一，助力研究人員可視化捕捉微秒級瞬態(tài)流動過程，獲得高時間分辨率的二維或三維速度場，分析渦結(jié)構(gòu)、剪切層及湍流演化，并支持將實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬和仿真數(shù)據(jù)進行對比驗證。

1. 生物流體力學：從微尺度生命流動到醫(yī)療工程領(lǐng)域

●血流動力學研究

血流動力學研究關(guān)注血液在血管、心臟及人工醫(yī)療器械中的流動特性，對速度分布、剪切應力、渦結(jié)構(gòu)及脈動流動等流體力學參數(shù)具有精確測量需求。高速粒子圖像測速（PIV）系統(tǒng)能夠在高時間分辨率下獲取瞬態(tài)速度場，實現(xiàn)對復雜脈動血流及局部流動結(jié)構(gòu)的定量分析，使研究人員能夠直觀理解血流結(jié)構(gòu)及其演化規(guī)律，為心血管疾病機理研究和醫(yī)療器械設計優(yōu)化提供實驗數(shù)據(jù)。

圖 利用千眼狼（Revealer）粒子圖像測速（PIV）系統(tǒng)可視化測量的健康、心衰與運動狀態(tài)下主動脈瓣下游速度分布云圖

●生物推進機制研究

生物推進機制研究關(guān)注自然界生物體通過肢體擺動或體表結(jié)構(gòu)與周圍流體相互作用產(chǎn)生推力的過程，對生物運動過程中渦環(huán)、尾跡結(jié)構(gòu)及推進效率等流體力學特征具有精確測量需求。高速粒子圖像測速（PIV）技術(shù)能夠在高時間分辨率下獲取生物運動過程中的瞬態(tài)速度場，定量揭示生物體運動與流場結(jié)構(gòu)之間的耦合關(guān)系。

圖 利用千眼狼（Revealer）粒子圖像測速（PIV）系統(tǒng)可視化測量水母游動的速度矢量圖

●微流控研究

微流控芯片實驗關(guān)注幾十~幾百微米尺度的微通道內(nèi)流體的輸運與混合行為，對速度分布、界面演化、局部剪切特性等流體力學參數(shù)具有精確測量需求。顯微粒子圖像測速（Mirco-PIV）技術(shù)能夠在微尺度空間和高時間分辨率下獲取流場速度信息，實現(xiàn)對復雜微流動結(jié)構(gòu)的定量分析，從而為微流控芯片設計、細胞與顆粒操控以及生物醫(yī)學檢測提供有效測量手段。

圖 利用千眼狼（Revealer）粒子圖像測速（PIV）系統(tǒng)可視化測量的微流控芯片通道內(nèi)流場速度云圖

2. 能源工程：優(yōu)化能源系統(tǒng)中的復雜流動

●風能與氣動力學研究

風能與氣動力學研究需測量空氣在風機葉片及氣動結(jié)構(gòu)周圍的速度場分布、渦結(jié)構(gòu)演化、邊界層發(fā)展及尾流特性。粒子圖像測速（PIV）測量系統(tǒng)能夠以高時間分辨率獲取瞬態(tài)流場信息，定量揭示葉片周圍流動結(jié)構(gòu)及尾流演化規(guī)律，為風機氣動性能優(yōu)化、載荷分析以及風能利用效率提供實驗數(shù)據(jù)支持。

圖 利用千眼狼（Revealer）粒子圖像測速（PIV）系統(tǒng)可視化測量半潛式風機垂蕩板在上下振動過程中產(chǎn)生的渦脫流場

●燃燒與火焰研究

燃燒與火焰研究清潔燃料噴射、湍流混合及火焰?zhèn)鞑サ葟碗s流動過程，對速度場分布、湍流結(jié)構(gòu)演化及噴流混合特性等流體力學參數(shù)測量。粒子圖像測速（PIV）測量系統(tǒng)能夠以高時間分辨率獲取燃燒區(qū)域的瞬態(tài)速度場，揭示燃料與空氣混合及火焰?zhèn)鞑ミ^程中的流動結(jié)構(gòu)，為燃燒效率提升、燃燒器設計優(yōu)化以及清潔燃燒技術(shù)發(fā)展提供重要實驗數(shù)據(jù)。

圖 利用千眼狼（Revealer）粒子圖像測速（PIV）系統(tǒng)可視化測量燃燒室內(nèi)某誘導機構(gòu)瞬時速度場（左）和渦量場（右）

●多相流與傳熱研究

多相流與傳熱研究中，氣泡生成、液滴破碎以及相變過程伴隨著復雜的流動結(jié)構(gòu)和劇烈的界面變化，需測量速度場分布、界面演化、氣泡動力學及局部傳熱特性。高速PIV測量系統(tǒng)能夠獲取多相流場的瞬態(tài)速度信息，定量揭示氣泡動力學、相互作用以及局部傳熱機制，為理解多相流動機理、優(yōu)化傳熱設備設計及提升能源系統(tǒng)效率提供實驗數(shù)據(jù)支持。

圖 利用千眼狼（Revealer）粒子圖像測速（PIV）系統(tǒng)可視化測量不同湍流強度下顆粒周圍速度矢量和流線演變

本屆劍橋大學流體力學青年學者論壇為來自不同研究領(lǐng)域的青年科研人員提供了深入交流的平臺，也展示了實驗測量技術(shù)在推動流體力學前沿研究中的重要作用。隨著流體力學研究不斷向生物醫(yī)學、能源工程及多學科交叉領(lǐng)域拓展，高時間分辨率與高精度流場測量技術(shù)正在成為連接基礎研究與工程應用的重要橋梁。

高速攝像機粒子圖像測速（PIV）測量系統(tǒng)通過可視化與定量化手段，使研究人員能夠更加深入地理解復雜流動現(xiàn)象，為流體力學機理研究與工程技術(shù)創(chuàng)新提供關(guān)鍵實驗支撐，也為青年學者探索流體科學前沿問題提供了高效實驗觀測工具。