1引言PIV技术是20世纪80年代末发展起来的一种非接触式瞬态速度测量技术,突破了单点测量的限制,可同时获得流场内多点流体或粒子速度矢量。中间包内流场模拟除利用CFD技术进行数值模拟外,在物理模拟方面,利用PIV测速技术对其流场进行测试和图像显示分析也已在实验室得到应用,其多点成像、无扰动流场测试特点正逐渐代替传统的单点流速测量仪器。本文对中间包内PIV流场测速水模实验应用进行了分析和体验,以期为相关研究人员提供参考。2PIV数字图像测试技术2.1V测速技术特点粒子图像测速技术(P)是在流体中投放示踪粒子,用摄像机或者照相机摄取随流体运动的粒子图像来测量流体速度的一种方法。其技术特点为:(1)由于它以非接触方式测量流体的瞬时速度场,测量装置对流体的干扰几乎可以不计,因此测量结果精度高。(2)它可以将整个流场成像并将流场的全部速度矢量进行细致的描述,因此人们可以获得对整个流场的全面认识,这一特点是其他流体测量技术不可比拟的。

它采用脉冲激光光源作为照明,使用球面镜和柱面镜等光学元件把激光束转变为很薄(约l~2mm厚)的片光,脉动照亮指定流场,两脉冲之间的时间可以基于被测流场的特征进行调整。在与片光源相垂直的方向上配置CCD或照相机摄录下流场层片中流动粒子图像,然后利用数据采集卡把图像数字化送入计算机,应用自相关或互相关原理进行图像处理,获得流场的速度信息。2.2PIV系统组成PIV粒子图像分析系统(以下简称为PIV)由硬件及软件两部分组成(见图1)。硬件系统配置包括:照明激光器、同步控制器、高速数字相机、图像采集板和计算机;软件系统包括:集成化的粒子图像测速系统,粒子图像跟踪测速系统,浓度场分析系统,粒子粒径分析系统和数字相机控制系统。图1PIV硬件系统组成2.3PIV测速技术原理PIV的基本原理为测量两帧图像的位移x和y,如图2所示。图2PIV测速基本原理利用成像设备记录下时间间隔为t的两帧图像,测量两帧图像中同一粒子的位移,最后得出速度信息。位移要求足够小,使得尘x/t是速度u的很好的近似,就是说粒子运动轨迹必须接近直线,并且沿着轨迹的速度应该近似恒定。

3PIV系统在中间包水模研究中的应用利用PIV测速技术,在中间包底部布置气幕挡墙的水模实验中进行了应用。采用气幕挡墙装置,在中间包底部某截面通以惰性气体,在中间包整个宽度范围内形成一惰性气体幕,使钢水向上运动,更多的夹杂物上浮到钢水的表面被渣吸收,从而进一步提高钢水中的夹杂物去除的效率。本水模试验就是通过安排中间包底部吹气方式、位置,结合PIV系统进行水模型优化试验研究,促进夹杂物充分上浮,其测试得出的钢中粒子速度场、涡量场等参数分析对中间包整个流场的定量分析提供了重要依据。3.1水力模型的建立试验模型采用有机玻璃制成,模型比例1:2,模型流程简图见图3。图3中间包水模试验装置简图1中间包;2湍流器;3气幕装置;4电导电极;5浸入式水口;6转子流量计;7水泵;8PIV;9示踪剂加入;10钢包;11长水口中间包中钢液的流动一般可视为黏性不可压缩稳态等温流动。模拟实验选用水作为介质。根据相似原理,保证与重力有关的弗劳德数相等,即Frm=Frs,得出以下关系式:流速um/us=k1/2;流量比Qm/Qs=k5/2;时间比tm/ts=k1/2。式中,下标m、s表示模型、原型;k表示比例常数(k=1/2)。在中间包底吹气实验中,流体的流动受到重力、惯性力和浮力的影响,所以要考虑气体密度以及液体密度的影响,因此模型与原型之间吹气量的相似转换应该考虑修正弗劳德准数就能够保证其动力的相似。即:(Fr')s=(