PIV的原理与应用.pdf
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PIV的原理与应用.pdf
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#的原理与应用孙鹤泉,康海贵,李广伟(大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,大连$%&()摘要:
!
#是一种无扰动的二维流场测试技术。
随着计算机技术、图像处理技术的快速发展,该技术近$&年来有了长足的发展。
详细阐述了!
#系统的结构与互相关分析原理,不但提供了在单向流实验中)*#与!
#的对比结果,而且提供了桩基码头模型时的涡流场分布,充分体现了!
#的实用价值。
关键词:
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#;二维流场;互相关理论中图分类号:
+#$,$-,文献标识码:
.文章编号:
$&/01(,(&)&$0&(0&(收稿日期:
&$0$0&/作者简介:
孙鹤泉($23,0),男,讲师,主要从事信息技术在海洋工程中的应用研究。
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前言传统的流速测量仪器,如通常采用的多普勒流速仪)*#()4567894*5:
;=#8=),只能进行单点测量,而且是接触式测量,无法对整个区域内的二维流场进行无扰动测量。
当流场内部的流速变化较大,且有涡存在时,传统的仪器很难实现流速的准确测量。
计算机技术与图像处理技术的快速发展,使得流场测试技术得以迅速发展与提高。
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#(!
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=894;?
#8=A)$技术克服了以往流场测试中单点测量的局限性,能够进行平面二维流场的测试,是一种非常有发展前景的无扰动流场测量技术。
!
#的结构利用!
#技术测量流速时,需要在测量的二维平面中均匀散播跟随性、反光性良好且比重与流体相当的的示踪粒子,使用BB*等摄像设备获取示踪粒子的运动图像。
对示踪粒子的运动图像进行分析,就能够获得二维流场的流速分布。
流场中某一示踪粒子在二维平面上运动,其在!
、两个方向上的位移随时间的变化为!
(#)、(#),是时间#的函数。
那么,该示踪粒子所在处的水质点的二维流速可以表示为公式($):
!
CD$!
(#)$#!
(#E#)0!
(#)#D!
C!
AD$(#)$#!
(#E#)0(#)#D!
A($)式中:
!
C与!
A是水质占沿!
方向与方向的瞬时速度,!
C、!
A是水质点沿!
方向与方向的平均速度,#是测量的时间间隔。
在公式($)中,当#足够小时,!
C与!
A的大小可以精确地反映!
C与!
A。
!
#技术就是通过测量示踪粒子的瞬时平均速度实现对二维流场的测量。
当测量流体表面的流速时,可以在自然光照条件下进行实验,而对流体内部的二维流场测量时,必须使用辅助片光源照明,图$为采用!
#测量流场内部流速的实验示意图。
图$中所示的实验过程是这样的:
激光器产生的光束经柱面镜散射后变成光片,平行照射流场内部的一个平面,位于该平面上的示踪粒子反射的光线经光学镜头聚焦后通过成像阵列形成图像,对图像分析得出该平面上的流速分布。
标准的BB*设备(如!
6;F9C23&$)的曝光频率是固定的,且较低,即公式($)中#的是固定的,且较大,只能测量流速变化均匀的流场;对于复杂的流场实验,需要采用高速BB*设备(如B)0*%0&/$G)。
利用下(水道港口!
#$%&()&*+$,&-&%./&$0#$第,卷第$期&年,月万方数据面提到的互相关分析方法处理实验图像,就能够得到相应的二维流场分布图。
!
互相关理论为了得到流速分布的细节情况,散播在流场中的示踪粒子的粒径应该非常小、浓度应该足够大,使得采集到的图像对有足够的流场信息。
这就很难从两幅图像中分辨同一个粒子,也就无法获得所需的相对位移。
而利用互相关分析理论!
,可以轻松地解决这个问题。
从上面的描述得知,图像采集系统获得的每一对图像都是从相同的空间位置上得到的,且曝光的时间间隔可以作为已知参数。
流场中的示踪粒子反射来自片光源的光线,每一粒子上反射的光强信号与其空间位置成单一映射,这就图#$%实验示意图形成光强信号与空间位置的函数映射关系,使用互相关分析方法可以确定两幅图像之间的对应关系。
为了讨论方便,假设流场只存在沿水平!
轴正向的速度,示踪粒子反射的光强沿!
轴的分布为一元函数(!
),图!
所示为某一时刻的光强分布。
图!
光强沿&轴的分布在实验过程中,#$%的测量区域固定不变,宽度为#,与图!
中的宽度对应。
在$时刻,第一幅图像采集到图!
中(!
,!
#)的光强信息;经过很小的间隔!
$(即为$!
时刻,其中$!
($!
$),示踪粒子之间的相对位置和各示踪粒子上反射的光强不发生变化,仅仅是随流场沿&轴正向运动,使得第二幅图像采集到图!
中(!
,!
#)的光强信息,其中!
)!
(!
。
结合图!
,不考虑时间参数,并进行原点调整,得到$时刻与$!
时刻的光强分布表达式:
%(!
)((!
),&(!
)((!
),*!
#%(!
)(&(!
)(*,!
+*或!
#(!
)式中:
%(!
)为$时刻的光强信息,&(!
)为$!
时刻的光强信息。
根据互相关函数的定义,计算%(!
)与&(!
)的互相关函数,并利用公式(!
)进行如下变换:
%&(())%(!
*()&(!
)(!
)(!
+!
*()(!
+!
)(!
)(!
*(+!
*!
)(!
)(!
(-)式中:
%&(()为%(!
)与&(!
)的互相关函数。
另外,函数(!
)的自相关函数,(()的定义为:
(()((!
)()(!
)(!
(.)-.!
#的原理与应用孙鹤泉等万方数据那么,公式(!
)可以转化为:
!
#($)%$#(&$#&%)%($#!
&)(&)自相关函数是偶函数,且有如下基本性质:
%()!
%(&)!
()。
因此,在公式(!
)中,当$!
&时,(&)与#(&)的互相关函数取得极大值。
采用上述方法,对图像对划分网格,通过计算图像对的互相关函数,利用互相关函数极大值的位置确定图像网格的相对位移,即示踪粒子在时刻$与%之间的位移。
另外,从图像对的采集间隔,即公式($)中的!
已知,可以进一步计算出示踪粒子在!
内的瞬时平均速度,从而能够获得流场内部的二维分布。
在计算机算法的具体实现上,可以利用互相关函数傅里叶变换的特性和傅里叶变换的快速算法,实现互相关函数的快速计算。
!
应用举例自*+,技术研制成功以来,该技术在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室得到了充分应用,参与完成了多个科研项目中的流场测量,以下将提供两组具有代表性的实验结果。
!
#单向流实验在单向流实验中,作者使用-.,流速仪与*+,系统同时测量流体内部的速度分布,表$中列出了两组系统的测试结果。
可以看出,*+,的计算结果与-.,流速仪的测量结果之间的误差在!
/%0以内,充分验证了*+,技术的精确性。
表$*+,和-.,的单向流测试结果&(12)((12))-.,(1234))*+,(1234)相对误差(0)&/%&/%#/!
5$&/$5&/%!
/67$&/%&/%/!
5$&/%&/%)#/$6&$%/85$%/!
#/)$%/)!
$%/77%/5$%/8%$%/%)#/!
%$%/&$%/75$/5!
&%$/&7%$/75$/&$%$/!
%$/&8/$%$%$/%)%$/56!
/8$%$/56%$/!
#%/87&!
/$&!
/$#/$%$!
/76!
/75/!
$!
/%!
/%8/$!
$!
/75!
/56/!
%图!
桩基内部的流速分布图图)因槽壁反射而形成的旋涡!
$涡流实验在进行码头桩基下水流形态物理模型实验时,作者在使用-.,测量桩基模型外部开阔区域流速的同时,在自然光照条件下采用*+,技术测量了桩基模型内部的二维流场,得到了桩基间的流场形态和涡的位置。
图!
就是利用*+,技术测得的某一时刻的矢量分布图,图中的实心圆是桩基模型所在的位置,并用虚线)水道港口!
#$%&()&*+$,&-&%./&$0#$第%!
卷第$期%年!
月万方数据圆绘出了涡的位置。
图!
对应逆向流实验,图中的最大流速为#$%&(,)*+在开阔区域测得的同步流速为,-#-%&(。
由于桩基的阻尼作用,内部流速明显小于开阔区域。
另外,由于实验水槽的长度有限,槽壁会对水流进行反射,并在槽壁前形成旋涡。
图.中的流场是在正向流情况下通过/0+方法测量得到的槽壁前的流场分布,可以从矢量分布图中清楚地观察到槽壁反射对水流的影响。
参考文献,123(435633789:
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孙仲康8快速富立叶变换及其应用E8北京:
人民邮电出版社,,$J8JL8.宗孔德,胡广书8数字信号处理E8北京:
清华大学出版社,,$I8,J!
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中华人民共和国交通部主办:
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主要任务是:
宣传交通环保政策法规,研究交通环保科技问题,探讨交通环保管理理论与实践,介绍国内外的先进技术与经验,普及环境保护知识,传递环保市场信息。
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专论、研究与探讨、综述与介绍、0ES资料、国外点滴、消息动态等。
地址:
天津市塘沽区新港二号路!
I号邮政编码:
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-JJJTI-TIJTI$TT-R$JJ传真:
-JJJTI$TT-RLITT.!
#的原理与应用孙鹤泉等万方数据PIV的原理与应用PIV的原理与应用作者:
孙鹤泉,康海贵,李广伟作者单位:
大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,大连,116024刊名:
水道港口英文刊名:
JOURNALOFWATERWAYANDHARBOUR年,卷(期):
2002,23
(1)被引用次数:
29次参考文献(4条)参考文献(4条)1.JWesterweelFundamentalsofdigitalparticleimagevelocimetry1997(12)2.孙鹤泉.康海贵DPIV流场测试技术中的数据处理期刊论文-大连理工大学学报2000(03)3.孙仲康快速富立叶变换及其应用19824.宗孔德.胡广书数字信号处理1997相似文献(10条)相似文献(10条)1.期刊论文孙鹤泉.康海贵.李广伟二维流场测量技术:
PIV-仪表技术与传感器2002,(6)PIV是一种无扰动的二维流场测量技术,近10年来随着计算机技术、图像处理技术的快速发展,PIV技术有了长足的发展.作者在与爱丁堡大学物理系合作的基础上,利用互相关分析方法,完成和完善了单镜头、双CCD的PIV系统,并已成功地应用在重点实验室的二维流速测量中.2.学位论文王平让PIV图像后处理新方法研究2004通常在水动力实验、空气动力实验中采用的流速测量仪器或方法,如超声波多普勒测速仪(ADV)、激光多普勒测速法(LDV)等,只能对流场进行单点测量,且多数仪器在应用时需要接触或进入流场,不能对测量区域内的二维流场进行无扰动测量.当流场内部的流速变化对外部干扰敏感且在空间上变化剧烈、需要测量流场的二维流速分布时,接触式的单点测量仪器已经无法满足测量要求.PIV技术是近20年发展起来的非接触流场测量技术,通过对流场图像的互相关分析获取流场运动信息,克服了接触式单点测量设备的局限性,能够进行平面二维流场的测试,是一种非常有发展前景的无扰动流场测量技术,已经成功地应用在水动力实验、空气动力实验的二维流场测量中,为科研人员深入了解流场内部的速度分布提供了有效手段.近年来国内外很多学者对PIV技术作了大量的研究工作,但在PIV技术的理论和应用研究方面都还存在不完善之处,主要体现在PIV技术实现的快速算法和后处理方面,包括粒子图像的复原和增强、图像的降噪、无效矢量的去除和修正,以及流线图、等速线、涡度的计算等后处理操作,鉴于此,该课题对PIV技术的后处理算法作了系统研究,这些研究工作将有力地提高PIV技术的应用能力,这是该文研究的主要目的.该文结合PIV实验与计算机应用两方面的特点进行研究,采取理论推导和实验相结合的技术路线,对PIV图像后处理技术的理论和算法进行了系统的研究.在原有算法的基础上,研究了PIV技术的互相关原理及其实现方法,完善了PIV技术实现的快速算法,主要包括:
实序列Fourier变换实现方法、复序列Fourier变换实现方法及Hartley变换实现方法等,并对各种实现方法进行了比较,确定了最优的实现方法;在粒子图像的降噪研究方面,建立了应用小波分析进行图像降噪的理论和实现方法;在对错误矢量进行修正的研究方面,建立了实现速度矢量修正的算法,即频域低通滤波修正方法和基于连续性方程的修正方法,并对一些流场参数的分析算法进行了研究;在PIV技术算法的编程实现方面,开发了PIV分析的C+类库,并在PIV分析中实现了多线程技术.3.期刊论文徐玉明.迟卫.莫立新.XUYu-ming.CHIWei.MOLi-xinPIV测试技术及其应用-舰船科学技术2007,29(3)粒子图像测速(PIV)是一种基于流场图像互相关分析的二维流场非接触式测试技术,在流场测量中占有非常重要的地位.首先介绍了PIV技术的测试原理及应用特点,阐述了其在船舶拖曳水池、柴油喷雾、气固多相流动及离心泵内部流场领域的应用状况,同时指出了PIV技术的未来发展方向.4.学位论文徐学慧平焰燃烧流动特性的PIV测试研究2006PIV技术是近10年发展起来的非接触流场测量技术,通过对流场图像的互相关分析获取流速信息,克服了接触式单点测量设备的局限性,能够进行平面二维流场、空间三维流场的测试,是一种非常有发展前景的无扰动流场测量技术。
平展流燃烧由于其独特的火焰特性(火焰呈薄层圆盘形),相对于直焰燃烧器而言,平焰燃烧器的火焰形状更好、更均匀和更稳定;平焰燃烧器在提高产品质量、降低能耗和保护环境等方面均具有明显的优势;因此有必要对平展流流场进行研究,分析其速度场、压力场的分布,充分了解流场的变化规律;以便优化流场结构。
进一步发挥平焰燃烧器的优越性。
为此,本文采用先进的速度测试手段(PIV),对平焰燃烧冷态二维流场进行测量;详细分析流量的变化对流场结构的影响。
本文依据用等温介质模拟非等温过程的原则来建模。
主要考虑几何相似、物理相似、定解条件相似。
最后按1:
1搭建了模型。
测量了旋流强度为1.76,空气与燃气流量比分别为13.68、19.39、21.67的主要燃烧区冷态速度场。
由于冷态实验模型内气体流动为有限空间内单个烧嘴的强旋流射流,在强旋流作用下,混合气体沿着扩张口内壁面及炉顶壁面径向充分扩张,形成贴壁射流,同时沿轴向x方向出现逆压力梯度,在烧嘴中心产生较大的回流区。
因此整个炉内混合气体的流动总体上为沿顶部的贴附射流,沿炉体侧壁的向下及沿底部向轴心方向的流动,沿轴心向上方向的回流,测量区域内混合气体的流动区域仅由回流区和贴壁射流两部分组成。
在回流区内,轴向速度沿轴向呈线性(v=A+Bx)分布,而且离烧嘴中心线越近,其斜率越大,直至烧嘴中心线斜率达到最大值。
当流量增大,轴向速度也随着增大。
当流量增大,贴附射流厚度增加,径向速度最大值增加。
最大径向速度沿射流方向的衰减速度和流量关系不大;而最大轴向速度随着流量的增大,沿射流方向的衰减越慢。
5.期刊论文关长涛.刘彦.赵云鹏.崔勇.李娇.GUANChang-tao.LIUYan.ZHAOYun-peng.CUIYong.LIJiao复合M型人工鱼礁粒子图像测速二维流场试验研究-渔业现代化2010,37
(1)为了获得复合M型人工鱼礁的流场效应,为鱼礁的结构设计提供理论依据,选取3个不同水流流速(6.7cm/s、11.0cm/s、18.0cm/s),采用粒子图像测速(PIV)技术,对复合M型人工鱼礁的二维流场进行测试.结果表明:
礁体迎流面和背流面分别产生上升流和背涡流,其规模随着来流速度的增加而增大;当鱼礁圆柱孔与流向夹角为90时所产生的上升流高度为礁高的53%90%,背涡流面积为迎流面积的0.71.3倍;夹角为0时上升流高度为礁高的33%83%,背涡流面积为迎流面积的40%60%;90工况下上升流平均流速是0工况时的1.12.7倍,背涡流的最大回流速度为0时的3.09.0倍.鱼礁投放时采用鱼礁圆柱孔与水流流向垂直的摆放形式流态较好.6.期刊论文孙鹤泉.康海贵.李广伟基于图像互相关的PIV技术及其频域实现-中国海洋平台2002,17(6)详细介绍了PIV(粒子图像测速法)技术的频域实现,包括实现互相关分析的傅里叶方法,以及对速度矢量合理构造后利用频域滤波技术对错误矢量的修正方法.提供了波浪实验中的垂向二维流速分布、潮流实验中含有旋涡的表面二维流速分布及其修正后的相应矢量图,充分体现了方法的可靠性与实用性.7.学位论文崔恒流体二维图像测速技术的研究2006传统的流速测量技术只能对流场进行定点测量,且多数仪器在应用时需要接触流场,不能对测量区域内的二维流场进行无扰动测量。
当流场内部的流速变化对外部干扰敏感且在空间上变化剧烈、需要测量流场的二维流速分布时,接触式的定点测量仪器已经无法满足测量要求。
随着激光技术的出现和发展以及计算机技术与图像分析算法的快速发展,以激光为光源、利用激光的散射和干涉原理的流场测试技术才得以迅速的发展,出现了基于互相关分析的粒子图像测速(ParticleImageVelocimetry,PIV)技术,并逐渐成为流场速度测量的主导方法之一。
PIV技术是近20年发展起来的非接触流场测量技术,通过对流场图像的互相关分析获取流场运动信息,克服了接触式定点测量设备的局限性,能够进行平面二维流场的测试,是一种非常有发展前景的无扰动流场测量技术,已经成功地应用在水动力实验、空气动力实验的二维流场测量中,为科研人员深入了解流场内部的速度分布提供了有效手段。
近年来国内外很多学者对PIV技术作了大量的研究工作,但在PIV技术的理论和应用研究方面都还存在不完善之处,其中的一个重要方面体现在由于图像中的粒子密度分布不均匀而导致的相关分析结果不精确。
鉴于这个原因,本课题对PIV技术进行了系统的研究,这些研究工作将提高PIV技术在实际工程中的应用能力,这是本文研究的主要目的。
本文研究了PIV技术中的相关算法的原理以及实现方法,采用理论与实践相结合的路线对其优缺点进行比较和分析。
并且针对图像中粒子分布的不均匀性,提出了利用密度聚类分析对图像中的粒子密度进行分类。
对于图像中密度较大的区域用PIV的传统算法进行处理,而对于密度较小的区域则选用粒子跟踪测速技术(ParticleTrackingVelocimetry,PTV)处理方法,这种并行的处理方法大大加快了处理的精度和鲁棒性,避免了由于图像中粒子分布不均匀造成的影响。
并基于粒子密度的分类对图像做相关分析并得到流体速度矢量分布图,取得了良好的实验结果。
此方法很好的解决了粒子分布不均匀的问题,为进一步完善二维PIV处理技术提供了良好的基础。
8.期刊论文顾卫国.王德忠.川口靖夫.张红霞.GUWei-guo.WANGDe-zhong.KAWAGUCHIY.ZHANGHong-xia基于小波分析的表面活性剂减阻流体二维流场流动特性研究-水动力学研究与进展A辑2009,24(4)该文采用粒子图像测速仪对矩形槽道内减阻流体二维流场进行测量,采用小波分析方法将流场分解为平均速度场与7个不同尺度的脉动场.结果显示减阻流体横向速度脉动几乎被完全抑制,流向速度脉动略低于水,但从波数为2开始小尺度脉动被明显削弱.减阻流体流向速度脉动呈条带分布,同流向基本平行,并且具有较大尺度,统计结果曲线也在相应位置出现局部大值,显示高脉动层存在的普遍性.9.期刊论文龚志军.武文斐.赵增武.李义科.任雁秋.李林风.GONGZhi-jun.WUWen-fei.ZHAOZeng-wu.LIYi-ke.RENYan-qiu.LILin-feng利用PIV技术研究搅拌槽内的流动特性-包头钢铁学院学报2005,23
(2)粒子成像测速(PIV)技术是一种新型的流动测量手段,使用这种技术能够容易地得出流场中的速度分布情况.在此基础上进行深入分析,还可以得到许多十分重要的流动参数.利用PIV技术测量长方形水槽模型中磁力搅拌器产生的搅拌流场,得到了不同断面的二维流场内的速度分布和涡量分布,通过对实验数据的分析研究,进一步得到水槽内流线和涡量的变化规律.10.学位论文孙立志基于多尺度的光流算法在PIV中的应用2006通常在水动力实验、空气动力实验中采用的流速测量仪器或方法,如超声波多普勒测速仪(ADV)、激光多普勒测速法(LDV)等,只能对流场进行单点测量,且多数仪器在应用时需要接触或进入流场,不能对测量区域内的二维流场进行无扰动测量。
当流场内部的流速变化对外部干扰敏感且在空间上变化剧烈、需要测量流场的二维流速分布时,接触式的单点测量仪器已经无法满足测量要求。
PIV技术是近20年发展起来的非接触流场测量技术,通过对流场图像的互相关分析获取流场运动信息,克服了接触式单点测量设备的局限性,能够进行平面二维流场的测试,是一种非常有发展前景的无扰动流场测量技术,已经成功地应用在水动力实验、空气动力实验的二维流场测量中,为科研人员深入了解流场内部的速度分布提供了有效手段。
传统的PIV算法绝大多数采用的是基于面积相关的互相关算法。
此方法因为概念简单、易于实现、技术成熟而被广泛应用。
但互相关算法有很多自身的缺陷,主要是此算法得到的结果错配点较多,流场不够光滑连续,因而需要很多的后续处理工作,增加了工作量的同时也减小了计算结果的精确度。
本文将计算机视觉中的运动分析理论引入到了PIV的图像处理中,运用光流算法进行PIV的图像处理。
该算法通过平滑约束条件和多尺度图像技术,明显的改善了传统互相关算法的缺陷,提高了结果矢量场的质量。
光流算法是从流体力学中抽象出来的一种计算机视觉的处理方法,利用流体力学的连续性方程抽象出光流约束方程,通过局部平滑条件可以推导出光流计算的第二个约束条件,用这两个约束条件进行迭代计算,可以求得每个象素点的速度分量。
在计算的时候采用金字塔数据结构,不断变换图像处理计算的尺度,使得到的结果更加准确,流场更加连续光滑,也可以提高计算速度。
最后通过光流算法和传统算法的计算结果对比验证光流算法的优越性。
在程序设计中,大量使用了C+程序设计的特性,诸如模板以及内联函数等,极大的提高了程序运行的效率。
引证文献(29条)引证文献(29条)1.康海贵.孙英伟近破波对直立建筑物的作用力及冲击流场研究期刊论文-水运工程2010(3)2.刘君.刘福海.孔宪京.李永胜PIV技术在大型振动台模型试验中的应用期刊论文-岩土工程学报2010(3)3.韩洪升.孟玲莉.贾泽琪.邢均.王平幂律流体偏心环空PIV实验与数值模拟研究期刊论文-自动化技术与应用2009(11)4.李红.王超.向清江.沈振华.杨炎财全射流喷头内部流场测量实验研究期刊论文-中国农村水利水电2009(8)5.颜事龙.刘锋.薛里.岳中文DPIV技术在爆炸水雾粒度测试中的应用期刊论文-煤炭学报2008(6)6.徐学慧.郭强加热炉内流
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- 关 键 词:
- PIV 原理 应用