空化现象的产生会对湍流流场结构造成较大的影响，空泡的脱落现象也涉及复杂的涡流结构。因此，研究空化的湍流流动结构是了解空化非定常过程形成机理的基础。粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry，PIV）主要对流场的特定截面进行显示与测量，可实现全场实时、定量的瞬态测量。因此，在空化流场测量中的应用越来越普遍。PIV系统主要包括以下几个部分：高速相机、激光器、片光源及光路系统、数据采集系统等（图2-4）。在实验中，用激光器转换出的片光源照亮流场中的粒子，通过合理调整相机光圈，对图像进行记录，并对图像序列中的相邻图像进行互相关分析即可获得瞬态速度矢量场，再通过后处理 软件从而得到速度场与涡量场等流场信息。

图2-4　粒子测速系统示意图

在实验中，由于激光的片光源（片光源的宽度为1 mm左右）从实验段底部射入，实验模型将部分激光挡住。因此，实验模型上方无激光照射，呈黑暗状态。图2-5给出了空化流场一对图片中相邻两帧图片及其速度矢量，较好地描述了流场中的空化旋涡现象。在每次测量中，均可采集并分析获得一段时间序列（若干空化发展周期）的瞬态速度场（包含约6个空化云的发展周期），用于观察速度场随时间的演化过程。同时，对瞬态速度场进行分析，得到流场的统计特征，如时均与最大概率速度、涡量和湍流脉动强度等分布。

图2-5　相邻PIV流场图片及相应的速度矢量场（LE—前缘）(www.daowen.com)

（a）第一帧图片；（b）第二帧图片；（c）局部放大图；（d）速度矢量场

对于流场的PIV测量而言，在流体中布撒跟随流体运动的粒子是必不可少的。目前，将PIV应用于空化流场的测量，需要注意以下几个问题：

（1）示踪粒子的跟随性。粒子必须有足够小的尺寸以及与流体相近的密度。

（2）采用布撒固态示踪粒子的方法进行观察，由于粒子很难进入空化区域，所以空化区域的流场难以测量。在空化流场中，尤其是在脱落空化云处，存在大量离散空泡。因此，除了在流场中布撒固态示踪粒子外，还采用了空化泡作为附加示踪粒子，使得空化区域流动结构的测量成为可能。上述方法在空化内部流场结构的测量中得到成功应用。

（3）激光照到模型表面的反射光极强，会对流场中示踪粒子的图像造成干扰，解决实验模型近壁区的反光问题是实验中必须要解决的问题。

（4）在水洞空化流场的机理实验中，PIV系统激光将经历4次折射过程，即由空气进入水洞实验段的水介质；在垂直平面内由水介质进入到空化区域；空化区域内被粒子散射的部分由内部气体介质进入到水介质；自水介质折射至空气中在这四个过程中，最后水平进入相机镜头，在高速电荷耦合器件（CCD）上形成实验原始图像。光线折射将会造成实验原始图像纵向方向的失真，因此在实验数据的后处理阶段，需要对激光在界面上的折射规律进行分析，获得图像变形与失真的分布特性。