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高频粒子图像测速系统原理与实践

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作者:陈启刚、陈槐、钟强、李丹勋、王兴奎
定价:78
印次:1-1
ISBN:9787302478034
出版日期:2017.09.01
印刷日期:2017.08.31

高频粒子图像测速是一种采样频率高于流动有效频率2倍的全场、无干扰瞬态流场测量技术,是材料技术、激光技术、光学成像技术、数字图像处理技术及计算机技术交叉融合的产物。本书综合介绍了高频粒子图像测速系统的基本原理、硬件组成、主要算法及实际应用。首先回顾了粒子图像测速技术的发展历程,然后以研发一套高频粒子图像测速系统为主线,总结了示踪粒子、光源及光路、相机及镜头、光学成像及数字图像等基础知识,介绍了图像前处理、粒子图像分析及流场后处理的常用方法和算法实现,最后通过明渠紊流、方腔流和黏性底层三个典型应用实例,展示了高频粒子图像测速系统的应用实践。 本书可供流体力学、水利工程、船舶与海洋工程、宇航航空科学与技术、土木工程、环境科学与工程、交通运输工程、动力工程及工程热物理等专业科技人员及高等学校相关专业师生参考。

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前言 随着社会经济的快速发展,人们对水动力学、空气动力学等流体力学相关学科的依赖程度越来越高。从代表国家综合制造实力的航天器、飞机、高铁、潜艇、船舶等先进制造业,到反映国家综合建造水平的水利枢纽、特大桥梁、摩天大楼等传统建造业,均要求对标的物所处的流动环境有越来越精细的定量认识。目前,准确获得流动定量信息的途径,主要为高精度数值模拟和实验测量。因此,开展流动测量技术的研究,对于促进流体力学学科发展,服务“中国制造2025”“一带一路”等国家发展战略均具有重大意义。 粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)是20世纪80年代逐步发展起来的一种现代流动测量技术,它充分利用了现代材料技术、激光技术、数字成像技术、计算机技术和图像分析技术的最新发展成果,可以在不接触待测流体的条件下,精确地测得平面内的二维或三维瞬态流场。近年来,激光技术和高速摄像技术的快速发展,进一步推动PIV朝着高频、高分辨率、立体化测量方向发展,显著推动了紊流统计理论和相干结构理论的研究与应用。 本书作者所在课题组从20世纪末开始从事PIV技术的研究工作。在国家自然科学基金仪器专项基金等一批国家级科研项目的资助下,经过近20年的持续攻关,在高频PIV技术的研发和应用方面取得了较为丰硕的成果,得到了国内外同行的认可。本书是对长期实践中积累的基本理论、技术经验及应用实践的阶段性总结,是一部系统介绍高频PIV知识的中文学术著作。与国际上现有的PIV专著相比,本书更强调PIV技术的实用性。全书以研发和使用一套高频PIV系统为主线,首先阐述PIV系统的硬件构成及有关理论,然后基于粒子图像基本知识,从图像前处理、粒子图像分析和流场后处理三个方面介绍PIV常用处理方法和算法实现,最后以明渠紊流、方腔流和黏性底层三个典型应用为例,展示了高频PIV系统优异的性能和广阔的应用前景。 全书分为7章。第1章绪论,由陈启刚、钟强编写; 第2章PIV硬件系统,由陈启刚、钟强、王兴奎编写; 第3章粒子图像,由陈启刚、李丹勋编写; 第4章粒子图像分析,由陈启刚、陈槐编写; 第5章流场后处理,由陈启刚、钟强、陈槐、王兴奎编写; 第6章高频PIV系统实践,由陈槐、陈启刚编写; 第7章超高分辨率高频PIV系统,由钟强、王兴奎编写。全书由陈启刚、李丹勋统稿。 由于作者的知识水平、实践范围及认识程度有限,书中难免存在不妥之处,恳请读者批评指正。 作者 2017年1月

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  • 陈启刚,男,博士,中共党员,北京交通大学讲师,四川宜宾人。2009年6月毕业于四川大学,获工学学士学位,同年9月获免试推荐,进入清华大学水利系攻读博士学位,师从王兴奎教授,2014年6月获工学博士学位。长期从事粒子图像测速(PIV)系统的研发及应用工作。
  • 理论与实践结合紧密,注重实用,知识体系完善,适用于高频粒子图像测速系统研制、使用和维护等各个阶段。
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  • 目录

    第1章绪论

    1.1引言

    1.2PIV基本原理

    1.3PIV发展历程

    1.3.1光源系统

    1.3.2成像系统

    1.3.3分析方法

    1.3.4标准配置

    1.4PIV发展趋势

    1.4.1三维粒子图像测速技术

    1.4.2高频粒子图像测速技术

    1.5PIV国际交流与合作

    第2章PIV硬件系统

    2.1示踪粒子

    2.1.1跟随性

    2.1.2散光性

    2.1.3选择与使用

    2.2光源

    2.2.1激光

    2.2.2调Q技术

    2.2.3双脉冲激光系统

    2.3光路

    2.3.1高斯光束

    2.3.2片光光路

    2.3.3体光光路

    2.3.4导光设施

    2.4相机

    2.4.1CCD相机

    2.4.2CMOS相机

    2.4.3CCD与CMOS相机对比

    2.5镜头

    2.5.1镜头与透镜

    2.5.2镜头的光圈

    2.5.3镜头的像差

    2.5.4镜头的景深

    2.5.5镜头的接口

    第3章粒子图像获取

    3.1成像原理

    3.1.1简单成像

    3.1.2成像分辨率

    3.1.3倾斜成像

    3.2粒子成像

    3.2.1衍射极限成像

    3.2.2单粒子成像

    3.2.3多粒子成像

    3.3拍摄粒子图像

    3.3.1图像曝光

    3.3.2图像像素化

    3.3.3成像噪声

    3.4形成数字图像

    3.4.1数字图像的表示

    3.4.2BMP图像文件

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