高速摄像机与粒子图像测速（PIV）系统在流体力学中的应用：生物流体与能源工程研究的新工具

随着流体力学研究不断向生物流体、能源工程等跨学科领域拓展，先进的实验测量技术成为连接基础研究与工程应用的桥梁。

近日，中科君达视界千眼狼（Revealer）高速摄像机粒子图像测速PIV测量系统参与了在剑桥大学博士后交流中心举办的第三届流体力学青年论坛（Third Young Scholar Conference for Fluid Dynamics），本次论坛汇聚了来自剑桥大学、牛津大学、帝国理工学院、UCL、爱丁堡大学等高校的青年学者，围绕流体力学前沿研究及其跨领域应用展开交流。

高速摄像机与PIV测量系统，揭示复杂流动物理机制的重要工具

现代流体力学研究中，许多关键现象发生在极短时间尺度和复杂空间结构中，如湍流结构演化、流体界面破裂、微尺度生物流动等。

高速摄像机（High-speed Camera）结合粒子图像测速技术PIV技术，已成为实验流体力学中最重要的测量工具之一，助力研究人员可视化捕捉微秒级瞬态流动过程，获得高时间分辨率的二维或三维速度场，分析涡结构、剪切层及湍流演化，并支持将实验数据与数值模拟和仿真数据进行对比验证。

1. 生物流体力学：从微尺度生命流动到医疗工程领域

●血流动力学研究

血流动力学研究关注血液在血管、心脏及人工医疗器械中的流动特性，对速度分布、剪切应力、涡结构及脉动流动等流体力学参数具有精确测量需求。高速粒子图像测速（PIV）系统能够在高时间分辨率下获取瞬态速度场，实现对复杂脉动血流及局部流动结构的定量分析，使研究人员能够直观理解血流结构及其演化规律，为心血管疾病机理研究和医疗器械设计优化提供实验数据。

图 利用千眼狼（Revealer）粒子图像测速（PIV）系统可视化测量的健康、心衰与运动状态下主动脉瓣下游速度分布云图

●生物推进机制研究

生物推进机制研究关注自然界生物体通过肢体摆动或体表结构与周围流体相互作用产生推力的过程，对生物运动过程中涡环、尾迹结构及推进效率等流体力学特征具有精确测量需求。高速粒子图像测速（PIV）技术能够在高时间分辨率下获取生物运动过程中的瞬态速度场，定量揭示生物体运动与流场结构之间的耦合关系。

图 利用千眼狼（Revealer）粒子图像测速（PIV）系统可视化测量水母游动的速度矢量图

●微流控研究

微流控芯片实验关注几十~几百微米尺度的微通道内流体的输运与混合行为，对速度分布、界面演化、局部剪切特性等流体力学参数具有精确测量需求。显微粒子图像测速（Mirco-PIV）技术能够在微尺度空间和高时间分辨率下获取流场速度信息，实现对复杂微流动结构的定量分析，从而为微流控芯片设计、细胞与颗粒操控以及生物医学检测提供有效测量手段。

图 利用千眼狼（Revealer）粒子图像测速（PIV）系统可视化测量的微流控芯片通道内流场速度云图

2. 能源工程：优化能源系统中的复杂流动

●风能与气动力学研究

风能与气动力学研究需测量空气在风机叶片及气动结构周围的速度场分布、涡结构演化、边界层发展及尾流特性。粒子图像测速（PIV）测量系统能够以高时间分辨率获取瞬态流场信息，定量揭示叶片周围流动结构及尾流演化规律，为风机气动性能优化、载荷分析以及风能利用效率提供实验数据支持。

图 利用千眼狼（Revealer）粒子图像测速（PIV）系统可视化测量半潜式风机垂荡板在上下振动过程中产生的涡脱流场

●燃烧与火焰研究

燃烧与火焰研究清洁燃料喷射、湍流混合及火焰传播等复杂流动过程，对速度场分布、湍流结构演化及喷流混合特性等流体力学参数测量。粒子图像测速（PIV）测量系统能够以高时间分辨率获取燃烧区域的瞬态速度场，揭示燃料与空气混合及火焰传播过程中的流动结构，为燃烧效率提升、燃烧器设计优化以及清洁燃烧技术发展提供重要实验数据。

图 利用千眼狼（Revealer）粒子图像测速（PIV）系统可视化测量燃烧室内某诱导机构瞬时速度场（左）和涡量场（右）

●多相流与传热研究

多相流与传热研究中，气泡生成、液滴破碎以及相变过程伴随着复杂的流动结构和剧烈的界面变化，需测量速度场分布、界面演化、气泡动力学及局部传热特性。高速PIV测量系统能够获取多相流场的瞬态速度信息，定量揭示气泡动力学、相互作用以及局部传热机制，为理解多相流动机理、优化传热设备设计及提升能源系统效率提供实验数据支持。

图 利用千眼狼（Revealer）粒子图像测速（PIV）系统可视化测量不同湍流强度下颗粒周围速度矢量和流线演变

本届剑桥大学流体力学青年学者论坛为来自不同研究领域的青年科研人员提供了深入交流的平台，也展示了实验测量技术在推动流体力学前沿研究中的重要作用。随着流体力学研究不断向生物医学、能源工程及多学科交叉领域拓展，高时间分辨率与高精度流场测量技术正在成为连接基础研究与工程应用的重要桥梁。

高速摄像机粒子图像测速（PIV）测量系统通过可视化与定量化手段，使研究人员能够更加深入地理解复杂流动现象，为流体力学机理研究与工程技术创新提供关键实验支撑，也为青年学者探索流体科学前沿问题提供了高效实验观测工具。