低成本手机粒子轨迹测速技术提升流体力学教学效果研究

为解决流体力学教学中抽象概念难以可视化及传统粒子图像测速(PIV)成本高、速度测量受限的问题，研究人员开发了基于手机摄像的低成本粒子轨迹测速(PSV)技术。通过Bunsen燃烧器气流实验，测得800 mm/s的高流速（较传统PIV提升3倍），平均误差仅4%。该技术为教育场景提供了经济高效的流体可视化解决方案。

　　

流体力学作为工程学科的基础课程，长期面临教学难题：抽象的涡流、无旋流等概念难以通过板书讲解，而复杂的纳维-斯托克斯方程(Navier Stokes equations)更让学生望而生畏。传统解决方案如风洞实验成本高昂，新兴的粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry, PIV)虽能直观展示流体运动，但专业设备价格动辄数十万美元，且依赖高速摄像机（帧率需达微秒级）和脉冲激光器。更棘手的是，现有低成本PIV方案受限于手机摄像头30-60 fps的帧率，仅能测量250 mm/s以下的低速水流，严重制约了教学演示的多样性。

来自肯尼亚Dedan Kimathi理工大学的Jeffrey K. Muriithi团队另辟蹊径，提出用粒子轨迹测速(Particle Streak Velocimetry, PSV)技术突破速度瓶颈。其核心创新在于利用手机相机可调曝光时间的特性——通过延长快门时间（1/1000秒）使运动粒子在图像中形成拖尾轨迹，仅需单张图像即可计算流速。这种方法巧妙规避了PIV依赖双帧图像和固定帧间隔的缺陷，理论上可将测量速度提升一个数量级。

研究团队搭建了总成本不足200美元的实验系统：以实验室常见的Bunsen燃烧器产生空气射流（雷诺数Re≈270），15mW红色激光器通过搅拌棒形成片光源，Redmi Note 9手机以1/700秒快门速度捕捉碳酸氢钠示踪粒子（75μm筛分，密度2200 kg/m³）的运动轨迹。图像处理采用Octave开源软件，通过阈值分割（0.1）、形态学过滤（长宽比>1.5）等算法提取条纹长度，最终换算为速度场数据。

实验结果验证了技术优势：在距燃烧器出口0-10mm区域，测得中心最大速度达811 mm/s（均值426 mm/s），与理论值424 mm/s的误差仅4%。速度剖面呈现典型抛物线分布（V_max/V_mean=1.9），符合层流特征。相较文献记载的低成本PIV最佳记录（Cierpka等报道的250 mm/s），新方法速度测量上限提升3倍以上，且首次实现气体流场测量。

这项发表于《South African Journal of Chemical Engineering》的研究具有双重意义：教学层面，为资源有限院校提供了单价不足千元的流体力学教具方案，学生可通过手机APP直接参与实验；技术层面，PSV的"单帧分析"特性突破了手机硬件限制，为户外流体监测（如风速测量）开辟了新思路。作者指出，未来通过优化粒子筛选（降低斯托克斯数St）和增加图像采样量（突破20张限制），可进一步提升数据精度。该成果标志着低成本流场测量技术从"原理验证"迈向"实际应用"的关键转折。