气液两相PIV测量方法

目前采用PIV测量单相的技术相对成熟，与测量单相相比，测量两相技术的最大核心问题是如何实现相的分离。在测量气液两相时，目前的文献中液相的流场属性是通过PIV测量示踪粒子运动得到，由于示踪粒子的粒径较小，假定示踪粒子与流体之间不存在相对运动，因此示踪粒子的运动即为流场的运动，而气泡的形状、大小、速度等是通过影像技术获得。

早期采用PIV研究鼓泡流时主要是根据气泡与示踪粒子大小进行区分气泡以及液相流场的，Chen and Fan (1992)通过”mark image”将气泡区域分离出来，Mask image 技术是将图像按组成标记出来，将气泡的灰度设置为1，将其与部分设置为0,将PIV图像与设置好的mask相乘，将所得图像再按照PIV的运算法则进行加工处理。缺点：由于气泡比周围粒子大，反光性强，因此周围的粒子很难被捕捉到。

Broder and Sommerfeld (2003)提出采用LED灯代替激光的光源，并采用颗粒较大的粒子（100μm）作为示踪粒子，气泡与周围粒子依旧根据其大小划分。该技术的缺点是由于气泡边缘的干扰以及背景强度的变化，气泡变得模糊，因此该方法只能测量稀疏的小气泡。

Delnoij et al.（2000）提出了ensmble correlation algorithm方法，其主体思想是利用气泡与周围流场的差异进行区分。对于大气泡而言，其速度会明显大于周围流场的速度，因此将10~15张照片进行关联，通过一定的运算法则，得出气泡的形状以及运动速度。该技术的缺点是只能得到时均值而无法得到瞬时值，且无法测量小气泡。

为了减小激光的反射造成的干扰，学者们提出了采用荧光粒子作为示踪粒子，并在相机上安装对应的过滤镜，气液两相的分离通过两台相机来实现。一台相机用来捕捉光源的光线，一台用来捕捉荧光粒子发出的光线。根据第一台相机来计算气泡的速度，根据第二台相机来计算流场。但是为了得到更加真实的气泡速度，气泡的直径必须小并且要求每个气泡的反射点必须均一分布。

对于大气泡而言，由于其形状不断变化，往往有不止一处的反射点，横向的激光在界面处发生的反射和折射，很难标记气泡的轮廓。因此提出来shadow image方法来精确描述气泡的形状和流场。Shadow image是捕捉气泡背后的平行光线从而区分气泡。由于气泡曲率较大且会引起光的折射，因此在平行光透过气泡后，由于气泡的遮挡，影子中会存在较暗的部分，即为气泡的轮廓。利用相机记录下具有明显边界的投影，然后根据两张照片中位移的运动，便可轻松获得单个气泡的速度。如Tokuhiro et al. (1998)采用两台相机面对面测量两相的运动，Lindken et al.(1999)将相机成30度

此外 Sathe et al.(2010)提出一种新的方法，采用双色镜将Shadow跟PIV的图像进行分离，从而确保PIV的图像与shadow image二者的图像不会扭曲。具体实验布局如Fig. 1所示，两台相机成90°夹角布置，中间斜45°角放置双色镜。实验中会涉及三种不同波长的光线，激光光源波长532nm，背景灯波长470nm，荧光粒子反射光波长570nm。双色镜能够完全反射波长在540nm以下的光线，能够让570nm的荧光粒子反射光完全透过，透过的荧光粒子反射光直接进入了PIV相机，从而记录流场信息。而经过双色镜反射的光线（470nm的背景灯光线以及532nm的激光）会被Shadowgarghy相机捕捉，为了避免激光的干扰，会在Shadowgarghy相机前加一个偏光镜，只让470nm的背景灯光线通过，从而记录气泡的运动形态。通过此方法，便能将气液两相中，气泡运动以及周围流体的运动进行区分。

Fig. 1 PIV与shadow image技术结合测量气液两相实验示意图