高速攝像機與粒子圖像測速（PIV）系統在流體力學中的應用：生物流體與能源工程研究的新工具

隨著流體力學研究不斷向生物流體、能源工程等跨學科領域拓展，先進的實驗測量技術成為連接基礎研究與工程應用的橋梁。

近日，中科君達視界千眼狼（Revealer）高速攝像機粒子圖像測速PIV測量系統參與了在劍橋大學博士后交流中心舉辦的第三屆流體力學青年論壇（Third Young Scholar Conference for Fluid Dynamics），本次論壇匯聚了來自劍橋大學、牛津大學、帝國理工學院、UCL、愛丁堡大學等高校的青年學者，圍繞流體力學前沿研究及其跨領域應用展開交流。

高速攝像機與PIV測量系統，揭示復雜流動物理機制的重要工具

現代流體力學研究中，許多關鍵現象發生在極短時間尺度和復雜空間結構中，如湍流結構演化、流體界面破裂、微尺度生物流動等。

高速攝像機（High-speed Camera）結合粒子圖像測速技術PIV技術，已成為實驗流體力學中最重要的測量工具之一，助力研究人員可視化捕捉微秒級瞬態流動過程，獲得高時間分辨率的二維或三維速度場，分析渦結構、剪切層及湍流演化，并支持將實驗數據與數值模擬和仿真數據進行對比驗證。

1. 生物流體力學：從微尺度生命流動到醫療工程領域

●血流動力學研究

血流動力學研究關注血液在血管、心臟及人工醫療器械中的流動特性，對速度分布、剪切應力、渦結構及脈動流動等流體力學參數具有精確測量需求。高速粒子圖像測速（PIV）系統能夠在高時間分辨率下獲取瞬態速度場，實現對復雜脈動血流及局部流動結構的定量分析，使研究人員能夠直觀理解血流結構及其演化規律，為心血管疾病機理研究和醫療器械設計優化提供實驗數據。

圖 利用千眼狼（Revealer）粒子圖像測速（PIV）系統可視化測量的健康、心衰與運動狀態下主動脈瓣下游速度分布云圖

●生物推進機制研究

生物推進機制研究關注自然界生物體通過肢體擺動或體表結構與周圍流體相互作用產生推力的過程，對生物運動過程中渦環、尾跡結構及推進效率等流體力學特征具有精確測量需求。高速粒子圖像測速（PIV）技術能夠在高時間分辨率下獲取生物運動過程中的瞬態速度場，定量揭示生物體運動與流場結構之間的耦合關系。

圖 利用千眼狼（Revealer）粒子圖像測速（PIV）系統可視化測量水母游動的速度矢量圖

●微流控研究

微流控芯片實驗關注幾十~幾百微米尺度的微通道內流體的輸運與混合行為，對速度分布、界面演化、局部剪切特性等流體力學參數具有精確測量需求。顯微粒子圖像測速（Mirco-PIV）技術能夠在微尺度空間和高時間分辨率下獲取流場速度信息，實現對復雜微流動結構的定量分析，從而為微流控芯片設計、細胞與顆粒操控以及生物醫學檢測提供有效測量手段。

圖 利用千眼狼（Revealer）粒子圖像測速（PIV）系統可視化測量的微流控芯片通道內流場速度云圖

2. 能源工程：優化能源系統中的復雜流動

●風能與氣動力學研究

風能與氣動力學研究需測量空氣在風機葉片及氣動結構周圍的速度場分布、渦結構演化、邊界層發展及尾流特性。粒子圖像測速（PIV）測量系統能夠以高時間分辨率獲取瞬態流場信息，定量揭示葉片周圍流動結構及尾流演化規律，為風機氣動性能優化、載荷分析以及風能利用效率提供實驗數據支持。

圖 利用千眼狼（Revealer）粒子圖像測速（PIV）系統可視化測量半潛式風機垂蕩板在上下振動過程中產生的渦脫流場

●燃燒與火焰研究

燃燒與火焰研究清潔燃料噴射、湍流混合及火焰傳播等復雜流動過程，對速度場分布、湍流結構演化及噴流混合特性等流體力學參數測量。粒子圖像測速（PIV）測量系統能夠以高時間分辨率獲取燃燒區域的瞬態速度場，揭示燃料與空氣混合及火焰傳播過程中的流動結構，為燃燒效率提升、燃燒器設計優化以及清潔燃燒技術發展提供重要實驗數據。

圖 利用千眼狼（Revealer）粒子圖像測速（PIV）系統可視化測量燃燒室內某誘導機構瞬時速度場（左）和渦量場（右）

●多相流與傳熱研究

多相流與傳熱研究中，氣泡生成、液滴破碎以及相變過程伴隨著復雜的流動結構和劇烈的界面變化，需測量速度場分布、界面演化、氣泡動力學及局部傳熱特性。高速PIV測量系統能夠獲取多相流場的瞬態速度信息，定量揭示氣泡動力學、相互作用以及局部傳熱機制，為理解多相流動機理、優化傳熱設備設計及提升能源系統效率提供實驗數據支持。

圖 利用千眼狼（Revealer）粒子圖像測速（PIV）系統可視化測量不同湍流強度下顆粒周圍速度矢量和流線演變

本屆劍橋大學流體力學青年學者論壇為來自不同研究領域的青年科研人員提供了深入交流的平臺，也展示了實驗測量技術在推動流體力學前沿研究中的重要作用。隨著流體力學研究不斷向生物醫學、能源工程及多學科交叉領域拓展，高時間分辨率與高精度流場測量技術正在成為連接基礎研究與工程應用的重要橋梁。

高速攝像機粒子圖像測速（PIV）測量系統通過可視化與定量化手段，使研究人員能夠更加深入地理解復雜流動現象，為流體力學機理研究與工程技術創新提供關鍵實驗支撐，也為青年學者探索流體科學前沿問題提供了高效實驗觀測工具。