工程和自然科学的许多领域都涉及流体粒子相互作用的问题。该方法为粒子轨迹和流速提供了相对低成本、非侵入性的同步光学测量。在这里，我们测量湍流中沉积物颗粒的沉降速度，从而能够详细描述颗粒轨迹，同时测量同一位置的湍流速度。
要开始粒子图像测速设置，请根据流量设施，在光学板上固定双头高强度脉冲激光水平。将圆柱透镜与激光对齐，以产生在振荡网格下方的 2D 光平面。然后在圆柱透镜后安装球形透镜，距离将产生 5 到 1 毫米厚的光片。
接下来，放置一个垂直于光片的双曝光 CCD 摄像机，以记录 PIV 的图像。将镜头连接到相机，将其打开，并将其设置为自由连续模式。粗略地将 PIV 摄像机聚焦在湍流设施上。
调整光圈和相机位置，直到图像小于或接近所需的光片边界。然后关闭相机，以低强度打开激光。确认光片垂直于地板，然后将标有网格的校准目标精确放置在光片的中心。
必须确保 PIV 摄像机垂直于光片，并且光源垂直于地板或设施底部。错位会导致速度预测不正确，进而产生流体速度误差。关闭激光并重新打开相机。
将相机对焦在校准目标上并捕获单个图像。在图像处理软件中打开图像，并确认行、高度和列间距在目标上是一致的。角标记大小应不超过一个像素，理想情况下，它们应相同。
如果图像符合这些标准，请删除校准目标。安装网格，然后运行设施。然后向流体介绍一汤匙中充满PIV示踪颗粒。
等待，直到示踪剂和液体很好地混合，然后再继续。然后打开激光，将其设置为外部控制和高功率。关闭房间灯并捕获图像对以评估跟踪器密度。
将示踪剂浓度逐渐增加，达到所需的视觉密度。然后将 PIV 摄像机帧速率设置为尽可能高的值，并设置连续 PIV 图像之间的时间。确认激光配置得当。
然后关闭灯，在自由模式下收集数据几秒钟。交叉关联图像对，确认采集的数据质量良好。完成后停止网格振荡。
要开始设置 2D 粒子跟踪，请将单色 LED 线灯放在振荡网格设施下，使光片在 LED 线路中居中。打开 LED 线路灯和低功耗激光。确认灯板和线灯对齐良好，然后将其关闭。
接下来，将镜头连接到用于粒子跟踪的 CMOS 高速摄像机。以自由连续或实时模式打开相机，并粗略地将其聚焦在感兴趣的区域。调整粒子跟踪摄像机的光圈高度和距离，直到感兴趣的区域与它的视野和相机是水平和垂直的线光。
关闭相机。打开线路灯，将校准目标放在线路灯的中心。然后关闭线路灯，打开相机，然后将其聚焦在目标上。
捕获校准目标的图像，并确认粒子跟踪摄像机是水平的，垂直于目标，对焦边缘没有图像失真。之后拆下校准目标。然后设置要收集的高速图像的数量。
根据预期的粒子速度，将帧速率和分辨率设置为在图像之间实现 3 到 10 像素的粒子位移的值。安装网格，打开 LED 线路灯，使房间变暗。启动网格振荡，将一小部分感兴趣的粒子引入流中。
当粒子出现在高速摄像机上时，捕获几帧。粒子轨迹在图像中清晰可见非常重要，表明粒子仍留在平面中，并且不会频繁重叠。如果不符合这些标准，将导致无法准确跟踪粒子。
确认没有可见的入口效果，粒子重叠不频繁，粒子运动主要在平面中。完成后停止振荡。要开始最终校准，灯光变暗时，将校准目标放在 LED 和激光光片内。
关闭激光和 LED 并打开房间灯。确保校准目标在摄像机 FOV 内对焦，并且具有两个摄像机可见的唯一标记。在两个摄像机上捕获校准目标的图像。
请注意唯一标记的相关位置，并确认摄像机仍处于水平，并且边缘周围不会显示失真。然后拆下校准目标，安装栅格，然后开始振荡。让它运行至少 20 分钟，使流量达到稳定状态。
然后使房间变暗，打开 LED 线路灯，将颗粒引入流中。当粒子跟踪摄像机 FOV 中出现粒子时，同时启动两个系统的激光脉冲和图像采集。数据采集完成后，保存图像并停止网格振荡。
分析流速分布和粒子轨迹。PIV图像可处理成瞬时流体速度和涡流分布。在这里，流体速度矢量分布叠加在涡流颜色图上。
设置后，在 PIV 视场上，根平均平方流体速度波动的空间均值幅度应随着水平和垂直速度分量的振荡频率而增加。粒子轨迹和速度可以从高速粒子跟踪图像中确定。粒子速度的分布应大致为高斯。
在这里，较大的不规则形状粒子通常显示粒子速度分布，其标准差大于较小的球形粒子。尽管随着网格振荡速率的增加，两组粒子都显示出具有较大平均垂直速度和较大标准偏差的分布。合成粒子、工业砂和本地收集的沙子的停滞流沉降速度，从它们的粒子轨迹中确定，都大致与迪特里希曲线一致。
在随后的分析中进一步探讨了粒子沉降速度随着网格振荡频率的增加而增加的趋势。粒子动力学和流体动力学（特别是湍流）的同步光学测量具有挑战性，因为两种成像技术之间可能会发生干扰，从而导致测量不准确。强三维的流不太适合这种技术，因为平面外运动在 2D 跟踪和粒子测速分析中都会产生误差。
跟踪粒子的浓度必须相对较低，以最大限度地提高连续图像中跟踪相同粒子的置信度。此外，PIV 示踪剂和被跟踪的粒子的大小必须足够不同，才能区分它们。流速信息与粒子轨迹的集成取决于所研究的信息。
例如，此方法还可以沿粒子轨迹及时检查特定实例的流速。这项技术在沉积物运输中已经过，这是运动科学的应用，但它在许多流体流动与自然或人造颗粒相互作用的应用中是相关的。
