近日，第十四届全国流体力学会议在中国青岛举行。大会围绕湍流与稳定性、水动力学、实验流体力学、多相流与非牛顿流体力学等方向展开，并设置“多场流固耦合力学”专场研讨会。相关报告涉及跨介质流固耦合、流致振动、柔性结构、流-固-声耦合以及复杂环境下结构动力学响应等问题，反映出流固耦合仍是非定常流体力学与工程力学交叉研究的重要方向。

　　图1-第十四届全国流体力学学术会议现场，会议设置实验流体力学与多场流固耦合力学等专题，关注PIV、DIC及非定常流动实验研究

　　当前流固耦合研究的重点，已由结构是否发生振动、平均载荷大小等宏观表征，进一步转向非定常流动结构如何驱动结构响应，以及结构运动又如何反向改变边界层分离、涡脱落与尾流演化。对于涡激振动（Vortex-Induced Vibration，VIV）、驰振、柔性翼、海洋立管及大型流体机械等问题，流体与结构之间的反馈往往具有明显的非定常性、空间非均匀性和多时间尺度特征。

　　1 从分步单场测量到PIV-DIC流固同步测量

　　流固耦合实验的一个核心难点，是流场与结构场不仅具有不同的物理属性和特征时间尺度。

　　流体侧，需要解析结构附近的速度场、剪切层分离、涡量分布、相干结构以及涡脱落过程；结构侧，需要获取位移、振幅、振型以及全场应变。传统压力传感器、加速度计、应变片或位移传感器虽可提供高频结构响应数据，但难以完整描述结构表面的空间变形；单独采用流场测量，又无法直接判断某一瞬态涡结构出现时结构处于何种响应状态。

　　千眼狼（Revealer）PIV-DIC耦合测量系统，将粒子图像测速（Particle Image Velocimetry，PIV）与数字图像相关（Digital Image Correlation，DIC）相结合，PIV通过记录示踪粒子的瞬时位移，定量获得速度矢量、涡量及三维涡结构；DIC则利用结构表面随机散斑的连续变形，恢复二维或三维位移、应变与振动模态。二者通过统一触发、空间标定和时序配准后，建立流场结构-结构响应统一时间基准下的直接对应关系，进而研究两者之间的相位关系、频率锁定和能量交换过程。

　　2 PIV-DIC耦合测量，建立“流场结构-结构响应“对应关系

　　一套面向流固耦合研究的PIV-DIC测量系统，通常由PIV流场测量单元、DIC结构测量单元、高速摄像机及同步控制系统组成：

　　PIV侧根据实验尺度配置二维、立体或层析PIV，通过激光照明示踪粒子，获得结构附近瞬时速度场及涡结构；DIC侧利用两台高速摄像机同步记录结构表面散斑，提取三维位移及变形信息。两套系统根据流动和结构各自的特征频率独立设置采样频率，并通过共同触发时钟建立严格的帧对应关系。

　　后处理中，PIV得到速度、涡量、Q准则等流场信息，DIC得到结构全场位移和振动响应。二者进一步结合频谱、相位平均、时频分析等方法，建立从剪切层演化、涡生成与脱落，到振幅增长、振型变化之间的动态联系。

　　下列实验体现了这一测量思路在柔性海洋立管VIV研究中的应用。

　　3 典型案例：3D3C PIV和3D DIC同步测量海洋立管涡激振动

　　洋流作用下，海洋立管因周期性涡脱落产生的交变流体力可能诱发涡激振动（Vortex-Induced Vibration，VIV），当结构两侧剪切层周期性分离并形成交替涡脱落时，结构受到周期性流体激励；与此同时，立管自身的运动又会反过来影响边界层分离和尾流涡结构。因此，VIV是典型的双向流固耦合问题。

　　某研究团队采用千眼狼（Revealer）层析PIV（3D3C PIV）-3D DIC同步测量系统开展了海洋立管涡激振动实验。实验对象为长1.5 m、外径50 mm的柔性立管，布置于循环水槽内，在0.2~0.5 m/s来流条件下开展实验。

　　PIV系统采用四台G2100M跨帧相机，对立管附近流场进行三维速度矢量及涡结构重构；DIC系统采用两台G536 Pro高速摄像机构成3D DIC双目系统，用于获取立管表面三维动态位移。

　　图2-海洋立管涡激振动PIV-DIC同步实验，3D DIC高速摄像机测量立管三维位移，3D3C PIV系统测量立管周围三维速度场和涡结构

　　3.1 异频采样下的统一时间基准

　　由于海洋立管振动主频低于50 Hz，DIC系统采用500 Hz采样，以描述瞬态振动响应；尾流主要涡脱落时间尺度相对较长，PIV系统以10 Hz记录三维涡结构演化。两套系统共用外部触发基准，并建立PIV第n个流场与对应DIC帧之间的时序映射关系。这一方案体现流固耦合实验中的一个重要原则：采样频率应服从被测物理过程，而同步系统负责建立不同采样率数据之间的统一时间关系。对于结构响应而言，需要高速摄像机的高采样频率以避免振动信息欠采样；对于PIV而言，则需要综合考虑涡脱落频率、双脉冲间隔、流场统计需求和数据处理规模。

　　图3-PIV-DIC流固耦合同步时序示意，500 Hz 3D DIC高速成像与10 Hz 3D3C PIV流场测量通过统一外部触发建立时间对应关系

　　3.2 3D DIC测量结构振动响应

　　3D DIC测量结果显示，立管主要沿Z方向发生振动。三个轴向测量位置的Z向位移约为3.7 mm、4.1 mm和3.9 mm，空间分布呈现一阶横向振型特征；结构主振频率接近2 Hz。3D DIC在该实验中的价值是同时保留结构运动的时间历程和空间分布信息。因此，除了振幅和主频外，还可以进一步分析不同轴向位置之间的运动差异以及结构振型随工况变化的演化。

　　图4-3D DIC高速摄像机测量柔性海洋立管涡激振动，获得X、Y、Z方向位移及合位移时程，用于分析振幅、主频和振型

　　3.3 3D3C PIV解析尾流三维涡结构

　　流体侧采用3D3C PIV对立管下游三维速度场进行重构，并利用Q准则重构三维涡结构。振动较弱阶段，尾流呈现较为规则的交替涡脱落结构；随着结构振动增强，同向涡旋靠近并发生合并，大尺度相干结构更加明显。

　　图5-3D3C PIV测量海洋立管尾流三维涡结构，基于Q准则显示涡激振动不同阶段的涡脱落、靠近和合并过程

　　3.4 流固耦合时序关联

　　当PIV和DIC数据沿统一时间轴进行耦合分析后，涡脱落频率与立管振动主频均接近2 Hz。这一结果说明流场非定常特征与结构响应存在明显的频率同步关系。结合连续流场和结构运动序列，可以进一步观察到交替涡脱落形成周期性流体激励，而结构运动同时改变局部相对流动条件和近壁分离过程，进而影响后续尾流组织。

　　图6 PIV-DIC同步耦合分析海洋立管涡激振动，将PIV尾流涡结构与DIC三维位移在统一时间轴上对应，用于研究VIV频率同步和流固耦合机制

　　海洋立管实验表明，3D3C PIV与3D DIC能够把涡结构演化和结构三维振动放在统一时间基准下进行比较，从而直接研究VIV中的同步与锁频现象。

　　4 从流场与结构场相关走向流固耦合机制实验

　　如本届全国流体力学学术会议相关报告所关注，流固耦合研究对象正扩展至深海结构、跨介质航行器、柔性能源装置以及流-固-声等复杂多场体系。随着研究对象愈发复杂，实验中“流体”和“结构”分开测量的局限愈发明显。

　　这一背景下，PIV与DIC具有功能互补性：PIV提供速度场、涡量、剪切层和三维相干结构等流体信息；DIC提供结构全场位移、应变及振型信息。二者通过同步控制、坐标标定和时序融合后，实验研究的关注点转向何种流动结构在何时作用于结构，结构产生何种空间响应，这种响应又如何反馈并重构后续流场。

　　对于海洋工程、风工程、航空航天、流体机械及柔性结构研究而言，PIV-DIC同步测量并不替代力、压力、加速度和应变等传感技术，而是补充其难以直接获取的空间全场信息以及流场—结构场的时序对应关系，成为验证流固耦合理论模型与CFD/FSI数值计算的实验基准。