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示蹤粒子的形態(tài)主要有固態(tài)、液態(tài)2種。PIV試驗常選用的粒子有TiO2、Al2O3、PSL顆粒以及硅油粒子等，它們的密度、光散射率和粒徑分布在文獻<1>中做了歸納。做內(nèi)流測試時，液態(tài)的示蹤粒子容易在流動過程中粘結(jié)在CCD視窗或片光窗口，前者導致CCD敏感度下降，后者則使距離片光較遠的測試域光強減弱，引起圖像質(zhì)量的下降。因此，這時就必須隔一段時間對視窗和片光窗口進行清理。近年來，從經(jīng)濟角度考慮，也有人嘗試用氣態(tài)的示蹤粒子進行內(nèi)流的測試，如氧氣泡、乳化空氣泡等。戴光清等把表面活性劑（加入量為水體重量的0.005%）加入到水流中形成乳化空氣泡（直徑為1030m），作為PIV流場顯示的示蹤粒子，并對套筒間的旋轉(zhuǎn)環(huán)流場進行了PIV測量，流場定量測試結(jié)果令人滿意，表明乳化空氣泡是一種品質(zhì)較高并且經(jīng)濟實用的PIV示蹤粒子。
當流體密度和示蹤粒子密度相差很大時，粒子的跟隨性很差，致使相機獲取的圖像不能正確反映流場。胡華等<4>研究后認為，當在液體中使用PIV技術(shù)時，尋找與流體密度相當?shù)牧黧w力學性質(zhì)很好的粒子并不困難，并且它們被加入到液體里之前大小很容易被確定。顯然，這給泵裝置內(nèi)流的測量帶來了方便。PIV試驗的另一關(guān)鍵環(huán)節(jié)是如何將示蹤粒子引入測試區(qū)以獲得合適的濃度。PIV測試中對示蹤粒子濃度的限制，不但與激光強度的衰減、液體的流動、粒子凝聚速度、信噪比等有關(guān)，還與查問區(qū)的大小、光學系統(tǒng)的放大率以及片光的厚度等有關(guān)。測試時必須對上述諸多因素綜合考慮，盡量使測試區(qū)均勻地分布足夠多的粒子。示蹤粒子的施放一般有整體施放和局部施放2種方法。在泵裝置的測試試驗中多采用整體施放法。
圖像采集在PIV的測試系統(tǒng)中，圖像的記錄系統(tǒng)一般有照相機和感光膠片以及固態(tài)充電耦合裝置（CCD）2種方式。普通膠片的分辨率較高，適合于高分辨率的流場測量；而CCD的分辨率較低，適用于低分辨率的流動測量。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，CCD的空間分辨率在不斷提高，已達到3060像素2036像素，但由于價格較貴，目前難以普及應用。
當流動中粒子的影像由膠片記錄時，雖然空間分辨率較高，但是無法實時觀察結(jié)果，并且工作量大。當使用CCD照相機時，可以將粒子圖像的光信號轉(zhuǎn)變成電信號后直接傳送給計算機中的幀抓取器，然后由幀抓取器讀取數(shù)字化的粒子影像，并把信息直接傳送給圖像分析系統(tǒng)。這樣，不僅可以獲得圖像在線顯示，判斷試驗參數(shù)（如激光能量、示蹤粒子濃度等）的配置是否合理，同時也能迅速地獲得測試結(jié)果。顯然，要想方便地解決在線優(yōu)化試驗和保證空間高分辨率之間的矛盾，可以先用在線CCD相機進行試驗參數(shù)優(yōu)化配置，合適后再用膠片記錄圖像，以獲得高分辨率的圖像。
數(shù)據(jù)分析與后處理通過PIV圖像采集系統(tǒng)可以得到具有256個灰度級的粒子圖像，然后對查問區(qū)內(nèi)粒子圖像采用統(tǒng)計平均分析方法提取速度信息，獲得整個流場的速度信息，基本的圖像分析過程如所示。從理論上看，PIV圖像的分析算法有2種：自相關(guān)分析法和互相關(guān)分析法。其理論計算速度可達0.1萬個/s速度矢量，實際可達500個/s速度矢量，比傳統(tǒng)算法高出30倍以上。
PIV圖像基本分析過程自相關(guān)的處理對象是記錄在同一底片上的2次曝光的示蹤粒子圖像，當流場中存在反向流動時，難以確定流速的方向，即產(chǎn)生方向模糊，因此在復雜流動中逐漸不再被使用。解決速度方向不確定性問題的最佳途徑是采用互相關(guān)分析法。其對象是2次脈沖時得到的各曝光一次的示蹤粒子圖像，由于知道粒子圖像的時間順序，可以準確地判斷流動方向。即使在圖像質(zhì)量較差或示蹤粒子濃度較低的情況下，采用互相關(guān)分析也能得到較好的結(jié)果，這些特點使它更適用于復雜流場的測量。
但是，使用互相關(guān)分析要求所用的2幀粒子圖像之間時間間隔很小，這就對圖像獲得速度即幀速率提出了較高的要求。根據(jù)Adrain提出的PIV試驗參數(shù)配置準則，在2個脈沖間隔粒子的位移應小于1/4的查問域。為了提高幀速率，Wernet提出了跨幀技術(shù)。所謂跨幀，就是指在第1幀曝光時間結(jié)束之前發(fā)出第1束激光脈沖得到第1幀圖像，第2束激光脈沖在第2幀曝光時間開始發(fā)出得到第2幀圖像，這樣就可以保證一對圖像之間的時間間隔短至1s以下。為了方便使用，PIV硬件系統(tǒng)還配有相應的軟件包，如美國TSI公司開發(fā)的Insight軟件，集測量控制和數(shù)字圖像處理于一身；并且還具備批處理功能，可快捷方便地獲得瞬態(tài)的矢量場、渦量場以及切應變速率等參數(shù)的分布。
雖然立體測量與二維測量的基本原理是一致的，但是由于2個相機在獲取圖像時，其光軸都不垂直于片光平面，因此所獲得的圖像必然產(chǎn)生變形（distortions）。為了有效地消除圖像變形，最終產(chǎn)生高質(zhì)量的立體PIV圖像，必須對三維測量系統(tǒng)進行標定。雖然立體PIV自身帶有專門的標定鏡（放于流體之中），可以對系統(tǒng)進行標定，但是，由于標定鏡沒有經(jīng)過防漏處理，因此只能用于氣體，不能直接用于液體。對泵裝置進行立體PIV測試時，只有自制標定鏡才能進行測試。進行成功標定之后，Insight軟件會自動形成一系列的標定函數(shù)。通過這些函數(shù)可以將圖像中的點和流體中的點進行匹配，獲取流場中的速度矢量信息。最后，通過Insight軟件將左右相機拍攝到的同一區(qū)域的流場矢量轉(zhuǎn)變成立體PIV圖像。
泵裝置內(nèi)流測量主要成果回顧雖然PIV在全世界范圍內(nèi)得到廣泛的應用，但是利用PIV技術(shù)對泵裝置內(nèi)部流動進行測量研究，到目前為止卻相對較少。作者根據(jù)掌握的文獻，對前人應用PIV進行泵裝置內(nèi)流測量的研究成果加以回顧和總結(jié)。
如果從測試水泵算起，泵裝置內(nèi)流測量大概始于20世紀80年代末。Paone等等用二維PIV對離心泵葉片間平面流場進行測試，是這方面的最早研究。2年之后，Paone又對3種流量工況下的離心泵的無葉擴壓器內(nèi)徑向速度和切線速度進行了測試，并與LDV的結(jié)果作了比較。Akin和Rockwell等用二維PIV系統(tǒng)研究了離心泵內(nèi)葉輪與擴壓器間隙瞬態(tài)的尾跡結(jié)構(gòu)和跡與葉片之間的相互作用。Shepherd、Olden-burg和Pap等也對離心泵葉輪以及蝸殼的瞬時速度場進行了測量。楊華、劉超等利用二維PIV技術(shù)對一改型后的離心泵（全閉式）裝置內(nèi)葉槽進行了測量，成功獲得了離心泵裝置在不同工況下的全葉槽內(nèi)的瞬態(tài)流場，充分表明了離心泵轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流場的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)和非定常性。該試驗中離心泵轉(zhuǎn)輪和蝸殼用有機玻璃制作，其余均用不銹鋼制作。離心泵的設計流量為25m3/h，設計揚程為8m，設計轉(zhuǎn)速為1450轉(zhuǎn)/min，比轉(zhuǎn)數(shù)為93.PIV測試系統(tǒng)包括雙脈沖的NdYAG激光器和CCD相機等。試驗時，激光器的頻率為15Hz，脈沖間的時間間隔500ns，片光源厚度約為1.0mm，測試區(qū)域面積為100mm100mm，相機的分辨率為1000像素1016像素，相機的采集速度30幀/s，系統(tǒng)的最大采樣率為15速度場/s.1年以后，孫蓀<14>對半開式離心泵裝置轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流場進行了PIV試驗研究，獲得了轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流場的分布規(guī)律。
湯方平、劉超等進行了國內(nèi)最早的軸流泵裝置內(nèi)流測量，共選擇4個面進行測量，依次是出口軸面、進口軸面、出口斷面、進口斷面。測試結(jié)果表明：軸流泵的特性直接與泵內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)有關(guān)，尤其與葉片附近流體的脫流和回流有關(guān)；同時，還顯示了出口處的流動結(jié)構(gòu)并非按軸線對稱的，而是存在強烈的振動。該裝置模型中的管道和水池均用透明的有機玻璃制成，軸流泵的葉輪直徑為100mm，輪轂比為0.22，共4只葉片，測試時水泵的轉(zhuǎn)速為500r/min.為了獲取葉輪內(nèi)部流出斷面的流場圖像，有意加大了葉片出口和導葉進口之間的軸向距離；為了獲取葉輪進口和出口斷面的流場圖像，在水池的底板下面放置了1塊傾角為45的鏡片，以改變光線的傳播方向，使照相機可以成功地拍攝圖像。PIV測試系統(tǒng)的主要參數(shù)如下：查問區(qū)大小為64像素64像素、脈沖間的時間間隔200s、片光大小為55mm、片光厚度為1mm.裝置模型如所示，各測量面如所示。
軸流泵裝置示意圖測量位置示意圖李永、李小明等在一個改良后的封閉式吸水池內(nèi)，在5種不同的工況下，對吸水管附近的流場進行量測，全面反映了吸水池內(nèi)部的流動狀態(tài)，得到測量面上的湍流特征。雖然吸水池不屬于泵裝置范圍，但是該試驗所采用的封閉式吸水池，類似于泵裝置中的流道，故在此列出，以備參考。另外，李連超、常近時針對大型自來水系統(tǒng)使用的供水泵空化嚴重的問題，測量了吸水池中的水流流態(tài)，并根據(jù)試驗結(jié)果分析了吸水池設計中來水管和水泵吸水管在布置上不對稱，以及低水位運行時淹沒深度過小等問題對水泵空化性能產(chǎn)生的影響，并對泵站吸水池的設計提出建議。
但是，從作者掌握的文獻看，雖然對離心泵裝置進行了眾多的研究，并獲得了一些有意義的成果，但是，當著眼于整個泵裝置的時候，卻發(fā)現(xiàn)研究的力度并不夠。比如說，對流道（管道）的測量、對混流泵和貫流泵等的測量，幾乎都沒有開展研究工作?？梢哉f，國內(nèi)用PIV測試泵裝置內(nèi)流的研究工作剛剛起步。
PIV技術(shù)在流動測量中的發(fā)展及其應用展望由于PIV技術(shù)不但能顯示測試區(qū)域真實的流動圖譜，而且還獲得高精度的定量測試數(shù)據(jù)，使人們能夠深入、透徹地認識測試對象內(nèi)部流動現(xiàn)象的本質(zhì)。同時，PIV測量所獲得的大量數(shù)據(jù)還可以與各種流體計算軟件（如fluent軟件、TASCflow等）的計算結(jié)果相互驗證。因此，PIV技術(shù)自身不但獲得了飛速的發(fā)展（如TSI公司最近開發(fā)的、對流場細部結(jié)構(gòu)進行測量的UltraPIV系統(tǒng)和MicroPIV系統(tǒng)），而且PIV系統(tǒng)的應用也得到積極的探索。目前，二維PIV技術(shù)已基本成熟，立體PIV技術(shù)的研究和應用（如全息PIV技術(shù)）方興未艾。但是，對具體的測試對象來說，PIV的表現(xiàn)并非完美無缺，仍有必要對PIV的應用范圍和應用深度做進一步的挖掘，不斷地擴大其在具體領域的應用前景。例如：（1）結(jié)合測試對象的自身特點，對PIV系統(tǒng)進行改造或?qū)IV系統(tǒng)中的部件進行合理的選擇。例如在水泵內(nèi)流的測試中，很多情況下，如果不對水泵自身結(jié)構(gòu)進行改型設計，只有改變光路系統(tǒng)，才有可能使相機成功捕捉到圖像；有時根據(jù)鏡頭到測試區(qū)域的遠近和測試區(qū)域面積的大小，需要選擇合適的鏡頭。另外，如果對PIV系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較熟悉，可以進行內(nèi)部光路的重新設計和線路的改造，以適應試驗自身的需要。
（2）發(fā)展與其他測試手段相結(jié)合的PIV試驗測試系統(tǒng)。眾所周知，描述不可壓縮流動所需要的信息包括該流動的主要原始變量（u、v、w和p）的時間經(jīng)歷和空間分布，而利用PIV僅能得到與速度場直接相關(guān)的信息。因此，必須結(jié)合流動的精確壓力測量才能獲得對該流動的全面認識。而水泵轉(zhuǎn)輪內(nèi)部和流道內(nèi)的流動都是有壓流動，壓力是一個必不可少的重要參數(shù)。
（3）對圖像數(shù)據(jù)處理軟件的進一步改進?，F(xiàn)在，模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法等人工智能技術(shù)和新算法在圖像處理方面已經(jīng)得到不斷的應用，這必將促使圖像數(shù)據(jù)處理速度和準確性大大提高。
結(jié)論雖然PIV測量已逐漸成為常規(guī)測試手段，但是試驗結(jié)果的準確性受到眾多因素的影響，如研究人員的操作水平和經(jīng)驗、示蹤粒子的均勻性和濃度的大小、片光強度的調(diào)整以及對固體邊界反射光的處理等。PIV在泵裝置方面的應用研究還不多，特別是立體PIV測試，在國內(nèi)還沒有研究成果出現(xiàn)?？梢韵嘈牛S著PIV技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對PIV測試的逐漸熟悉，PIV在泵裝置內(nèi)流研究中的應用必將日益廣泛，步步深入，取得令人激動的研究成果。