高速攝像機(jī)與粒子圖像測(cè)速（PIV）系統(tǒng)在流體力學(xué)中的應(yīng)用：生物流體與能源工程研究的新工具

隨著流體力學(xué)研究不斷向生物流體、能源工程等跨學(xué)科領(lǐng)域拓展，先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)成為連接基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用的橋梁。

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

高速攝像機(jī)與PIV測(cè)量系統(tǒng)，揭示復(fù)雜流動(dòng)物理機(jī)制的重要工具

現(xiàn)代流體力學(xué)研究中，許多關(guān)鍵現(xiàn)象發(fā)生在極短時(shí)間尺度和復(fù)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(dòng)等。

高速攝像機(jī)（High-speed Camera）結(jié)合粒子圖像測(cè)速技術(shù)PIV技術(shù)，已成為實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)中最重要的測(cè)量工具之一，助力研究人員可視化捕捉微秒級(jí)瞬態(tài)流動(dòng)過程，獲得高時(shí)間分辨率的二維或三維速度場(chǎng)，分析渦結(jié)構(gòu)、剪切層及湍流演化，并支持將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

1. 生物流體力學(xué)：從微尺度生命流動(dòng)到醫(yī)療工程領(lǐng)域

●血流動(dòng)力學(xué)研究

血流動(dòng)力學(xué)研究關(guān)注血液在血管、心臟及人工醫(yī)療器械中的流動(dòng)特性，對(duì)速度分布、剪切應(yīng)力、渦結(jié)構(gòu)及脈動(dòng)流動(dòng)等流體力學(xué)參數(shù)具有精確測(cè)量需求。高速粒子圖像測(cè)速（PIV）系統(tǒng)能夠在高時(shí)間分辨率下獲取瞬態(tài)速度場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜脈動(dòng)血流及局部流動(dòng)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(jī)理研究和醫(yī)療器械設(shè)計(jì)優(yōu)化提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖 利用千眼狼（Revealer）粒子圖像測(cè)速（PIV）系統(tǒng)可視化測(cè)量的健康、心衰與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下主動(dòng)脈瓣下游速度分布云圖

●生物推進(jìn)機(jī)制研究

生物推進(jìn)機(jī)制研究關(guān)注自然界生物體通過肢體擺動(dòng)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(duì)生物運(yùn)動(dòng)過程中渦環(huán)、尾跡結(jié)構(gòu)及推進(jìn)效率等流體力學(xué)特征具有精確測(cè)量需求。高速粒子圖像測(cè)速（PIV）技術(shù)能夠在高時(shí)間分辨率下獲取生物運(yùn)動(dòng)過程中的瞬態(tài)速度場(chǎng)，定量揭示生物體運(yùn)動(dòng)與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)之間的耦合關(guān)系。

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

●微流控研究

微流控芯片實(shí)驗(yàn)關(guān)注幾十~幾百微米尺度的微通道內(nèi)流體的輸運(yùn)與混合行為，對(duì)速度分布、界面演化、局部剪切特性等流體力學(xué)參數(shù)具有精確測(cè)量需求。顯微粒子圖像測(cè)速（Mirco-PIV）技術(shù)能夠在微尺度空間和高時(shí)間分辨率下獲取流場(chǎng)速度信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜微流動(dòng)結(jié)構(gòu)的定量分析，從而為微流控芯片設(shè)計(jì)、細(xì)胞與顆粒操控以及生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)提供有效測(cè)量手段。

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

2. 能源工程：優(yōu)化能源系統(tǒng)中的復(fù)雜流動(dòng)

●風(fēng)能與氣動(dòng)力學(xué)研究

風(fēng)能與氣動(dòng)力學(xué)研究需測(cè)量空氣在風(fēng)機(jī)葉片及氣動(dòng)結(jié)構(gòu)周圍的速度場(chǎng)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(cè)速（PIV）測(cè)量系統(tǒng)能夠以高時(shí)間分辨率獲取瞬態(tài)流場(chǎng)信息，定量揭示葉片周圍流動(dòng)結(jié)構(gòu)及尾流演化規(guī)律，為風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能優(yōu)化、載荷分析以及風(fēng)能利用效率提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

圖 利用千眼狼（Revealer）粒子圖像測(cè)速（PIV）系統(tǒng)可視化測(cè)量半潛式風(fēng)機(jī)垂蕩板在上下振動(dòng)過程中產(chǎn)生的渦脫流場(chǎng)

●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?fù)雜流動(dòng)過程，對(duì)速度場(chǎng)分布、湍流結(jié)構(gòu)演化及噴流混合特性等流體力學(xué)參數(shù)測(cè)量。粒子圖像測(cè)速（PIV）測(cè)量系統(tǒng)能夠以高時(shí)間分辨率獲取燃燒區(qū)域的瞬態(tài)速度場(chǎng)，揭示燃料與空氣混合及火焰?zhèn)鞑ミ^程中的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，為燃燒效率提升、燃燒器設(shè)計(jì)優(yōu)化以及清潔燃燒技術(shù)發(fā)展提供重要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖 利用千眼狼（Revealer）粒子圖像測(cè)速（PIV）系統(tǒng)可視化測(cè)量燃燒室內(nèi)某誘導(dǎo)機(jī)構(gòu)瞬時(shí)速度場(chǎng)（左）和渦量場(chǎng)（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(fù)雜的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和劇烈的界面變化，需測(cè)量速度場(chǎng)分布、界面演化、氣泡動(dòng)力學(xué)及局部傳熱特性。高速PIV測(cè)量系統(tǒng)能夠獲取多相流場(chǎng)的瞬態(tài)速度信息，定量揭示氣泡動(dòng)力學(xué)、相互作用以及局部傳熱機(jī)制，為理解多相流動(dòng)機(jī)理、優(yōu)化傳熱設(shè)備設(shè)計(jì)及提升能源系統(tǒng)效率提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

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

本屆劍橋大學(xué)流體力學(xué)青年學(xué)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(tái)，也展示了實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)在推動(dòng)流體力學(xué)前沿研究中的重要作用。隨著流體力學(xué)研究不斷向生物醫(yī)學(xué)、能源工程及多學(xué)科交叉領(lǐng)域拓展，高時(shí)間分辨率與高精度流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)正在成為連接基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用的重要橋梁。

高速攝像機(jī)粒子圖像測(cè)速（PIV）測(cè)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(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象，為流體力學(xué)機(jī)理研究與工程技術(shù)創(chuàng)新提供關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)支撐，也為青年學(xué)者探索流體科學(xué)前沿問題提供了高效實(shí)驗(yàn)觀測(cè)工具。