土木工程防灾国家重点实验室风洞试验室
尽管把握桥梁断面绕流流态,特别是旋涡运动发展规律,是研究桥梁风振机理问题的一把钥匙,但旋涡运动理论及试验研究上的复杂性却阻碍了细观机理研究的进行,CFD方法由于目前算法和硬件等条件的限制至少在现阶段还难以排除这种障碍。而PIV流场显示技术的发展和成熟,使得桥梁风振机理研究的突破成为可能。
PIV(Particle Image Velocimetry)即粒子图象速度场仪,是流场显示技术的新发展。通过流场显示试验可以帮助人们观察各种复杂的流动现象,探索其物理机制,为建立新的概念和物理模型奠定基础,可以说,流体力学发展中的任何一次学术上的重大突破及其工程实际应用,几乎都是从对流动现象的观测开始的。PIV是在传统流动显示技术基础上,利用图形图像处理技术发展起来的新的流动测量技术,综合了热线热膜风速仪、激光多普勒风速计等单点测量技术和示踪烟雾等平面流场显示技术的优点,又克服了二者的弱点,已经在湍流、钝体绕流、多相流、机翼翼尖涡、火焰等需要获得复杂流场信息的研究中得到广泛应用,而在桥梁风振研究中的应用国内外均未见报道。
PIV技术的基本原理是:在待测流场中散布示踪粒子,以粒子速度代表其所在流场内相应位置处流体的运动速度;使用脉冲激光片光源入射到所测流场区域中,通过连续两次或多次曝光,将粒子的图像记录在PIV底片或CCD相机上;逐点处理PIV底片或CCD记录的图像,用图像分析技术(如光学杨式条纹法、自相关法或互相关法等)得到流场中各点的流速矢量,获得流场速度分布,并由此计算出其他运动参量。随着技术手段和分析方法的不断改进,PIV技术的精度和可靠性也不断得到提高。
由于PIV技术可以实现流场的可视化和可测量化,通过对流场(绕流流态、旋涡运动规律)的定量分析,在桥梁风振的细观层面机理研究上寻求突破成为可能。通过将PIV这一能够获取复杂流场流动信息的技术应用到桥梁风振研究中去,推动桥梁风振机理细观层面研究的突破,实现细观、宏观研究成果的结合,完善桥梁风振机理研究的理论框架,是一条急需去探索和实践的研究道路。
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