CN110132531A - 一种用于水轮机尾水管内部流场粒子图像测速的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水轮机尾水管内部流场粒子图像测速的方法，包括以下步骤：将尾水管与水轮机叶轮出口连接；在流体中加入示踪粒子；调整脉冲激光器的入射角度，并在三个脉冲激光器的激光发射端安装分别一个起偏器，三个脉冲激光器发射出来的激光的振动方向依次偏角60度；调整高速摄像机的拍摄角度和焦距，在高速摄像机镜头前安装偏振片；设置拍摄时长和拍摄间隔，控制脉冲激光器的发射和高速摄像机的拍摄同步；高速摄像机拍摄图像被传输到计算机，计算机建立截面速度场，并分析三维流场信息。本发明方法能够在同一时刻得到水轮机尾水管三个交叉截面的流场信息，并且可以得到每个截面随时间变化的流场信息。

Description

一种用于水轮机尾水管内部流场粒子图像测速的方法

技术领域

本发明具体涉及一种用于水轮机尾水管内部流场粒子图像测速的方法。

背景技术

机组在部分负荷工况下，尾水管内部的偏心涡带产生的不稳定的压力脉动是导致机组运行时出现振动的重要因素，如何有效的处理尾水管内部偏心涡带导致的机组不稳定运行是如今流体机械学科一个重要的研究方向。因此，需要需要对尾水管内部偏心涡带产生机理和规律进行研究。

卢金玲课题组(王剑鹏.混流式水轮机尾水管内部流动数值模拟研究[D].西安理工大学,2018.)，实验使用透明材质制造的尾水管并进行拍照，该方法只能进行涡带形态上的判断，定性地描述偏心涡带的移动和变化。这也是大多数研究水轮机尾水管流动状态的研究方法，不能定量对涡带流场进行分析，不能定量得到尾水管流动信息。

中国专利CN 103197095 B利用一个三棱镜的分光装置，将入射多色激光分散为不同颜色的片光源，同时照向测试区域，不同的摄像机镜头前加装某一特定颜色的滤光片，使得一台摄像机仅能拍摄对应颜色的断面，并对每个断面进行二维粒子图像分析。该方法局限性在于光强被削弱，相机检测时由于光强的影响不能很好地捕捉到流场完整信息，从而造成一定的实验误差。

陈次昌等(陈次昌,李丹,季全凯,王军,许巍巍.混流式水轮机尾水管内部流场的PIV(Particle Image Velocimetry，简称PIV)测试[J].机械工程学报,2006(12):83-88.)对水轮机尾水管内部流场做的PIV测试，该实验只能得到某个固定截面不同时间的图像信息，通过后期的软件算法处理得到某个截面的流场信息。该方法的该方法的局限性是只能得到某个固定截面随时间变化的流场信息，无法同时得到多个截面的流场信息。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明提供了一种用于水轮机尾水管内部流场粒子图像测速的方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于水轮机尾水管内部流场粒子图像测速的方法，包括以下步骤：

(1)将尾水管与水轮机叶轮出口连接；

(2)在水轮机流体中加入示踪粒子；

(3)调整脉冲激光器的入射角度，并在三个脉冲激光器的激光发射端分别安装一个起偏器，三个脉冲激光器发射出来的激光的振动方向依次偏角60度；

(4)调整高速摄像机的拍摄角度和焦距，在高速摄像机镜头前安装偏振片，使得只有高速摄像机观测的截面的光才能透过；

(5)设置拍摄时长和拍摄间隔，控制及数据采集器控制脉冲激光器的发射和高速摄像机的拍摄同步；

(6)高速摄像机的拍摄图像传输到计算机，计算机通过互相关算法建立截面速度场。

进一步地，步骤(1)中，尾水管通过法兰结构与水轮机叶轮出口连接。

进一步地，尾水管采用外面是六面体，内部是圆柱体的结构。

进一步地，尾水管由透明的有机材料制成，有机材料的折射率接近于水。

进一步地，调整脉冲激光器的入射角度，使三个脉冲激光器分别垂直正对着尾水管六面体的三个互不平行的侧面。

进一步地，脉冲激光器为YGA激光器、ND激光器中的任意一种。

进一步地，高速摄像机为CCD高速摄像机、CMOS高速摄像机中的任意一种。

进一步地，步骤(4)中，调整高速摄像机的拍摄角度，使三个高速摄像机分别垂直正对着尾水管六面体三个互不平行的侧面。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提供了一种用于水轮机尾水管内部流场粒子图像测速的方法，该方法能够准确地对水轮机尾水管内的流场进行三个截面断面的同步观测和记录，操作简单、调试调整灵活方便。

(2)本发明方法中三个脉冲激光器发射出来的激光的振动方向依次偏角60度，这样能够在同一时刻得到水轮机尾水管三个交叉截面的流场信息，并且可以得到每个截面随时间变化的流场信息；该发明还可以保证示踪粒子的散射光强，使得实验数据存在较小的实验误差。

(3)本发明通过改变尾水管结构和材料，可以用来分析不同类型水轮机的尾水管内部流场特性，具有很高的实验实用价值且易于实现；使用本发明方法获得的水轮机尾水管内部流场信息比较丰富，得到图像信息后能够利用互相关算法得到单个截面内的速度场和涡量场，通过粒子在图像中的坐标信息，就可以得出涡带的位置变化和大小演变过程。

附图说明

图1为本发明使用的装置的结构示意图。

图2为本发明采用的尾水管截面的示意图。

图3为本发明方法的流程示意图。

图4为本发明使用的互相关算法运算执行示意图。

图5为本发明利用互相关算法进行速度场计算的效果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，应当指出的是，具体实施方式只是对本发明的详细说明，不应视为对本发明的限定。

在一些优选的方式中，本发明的一种用于水轮机尾水管内部流场粒子图像测速的方法，采用以下所述的实验装置：

一种用于水轮机尾水管内部流场粒子图像测速的实验装置，如图1所示，包括水轮机主体19，尾水管18和二维平面粒子图像测速装置；二维平面粒子图像测速装置包括第一脉冲激光器3、第二脉冲激光器4、第三脉冲激光器5，第一高速摄像机9、第二高速摄像机10、第三高速摄像机11、控制及数据采集器2和计算机1；

水轮机主体包括蜗壳入口、蜗壳、导叶、叶轮等结构；这些结构与常规水轮机结构一致。

控制及数据采集器2包括两个功能模块，一个是控制功能模块，另一个是数据采集功能模块。

计算机1内置以互相关算法为基础的粒子测速软件；通过拍摄的两帧画面，计算出粒子的速度场，互相关算法示意图如图4所示；第一脉冲激光器3、第二脉冲激光器4、第三脉冲激光器5的激光发射端分别安装有第一起偏器6、第二起偏器7和第三起偏器8，这三个起偏器使得第一脉冲激光器3、第二脉冲激光器4、第三脉冲激光器5发射出的光源偏振态依次有60度的夹角；三个脉冲激光器发射出的光源振动方向依次偏角60度。

在一些优选的方式中，第一高速摄像机9、第二高速摄像机10、第三高速摄像机11镜头前分别安装有第一偏振片12、第二偏振片13和第三偏振片14。

在一些优选的方式中，尾水管与水轮机叶轮出口20连接，控制及数据采集器2连接第一脉冲激光器3、第二脉冲激光器4、第三脉冲激光器5，使这三个脉冲激光器同时进行激光的发射；控制及数据采集器2还连接第一高速摄像机9、第二高速摄像机10和第三高速摄像机11，使三个脉冲激光器发射激光的同时，控制三台高速摄像机进行同步拍摄。

在一些优选的方式中，控制及数据采集器2能够采集第一高速摄像机9、第二高速摄像机10和第三高速摄像机11拍摄的图像数据；控制及数据采集器2还与计算机1连接，这样使得高速摄像机拍摄的图像能够及时经过控制及数据采集器2传输到计算机1内。

在一些优选的方式中，该计算机1与控制及数据采集器2通过电路连接。

本发明的一种用于水轮机尾水管内部流场粒子图像测速的方法，可以采用以上所述的装置，包括以下步骤：

(1)将尾水管与水轮机叶轮出口连接安装，以便脉冲激光器的入射和高速摄像机的拍摄；

(2)在水轮机流体中加入示踪粒子，以保证示踪粒子被激光照射后，能够被高速摄像机清晰拍摄；示踪粒子的浓度大小，只要能确保激光照射后，高速摄像机能够清晰拍摄到示踪粒子就可以；

(3)调整第一脉冲激光器3、第二脉冲激光器4、第三脉冲激光器5的入射角度，使第一脉冲激光器3、第二脉冲激光器4、第三脉冲激光器5分别垂直正对着尾水管六面体的三个互不平行的侧面，分别照亮尾水管内部流体的第一截面15、第二截面16和第三截面17；在第一脉冲激光器3、第二脉冲激光器4、第三脉冲激光器5的激光发射端分别安装第一起偏器6、第二起偏器7和第三起偏器8，第一起偏器6、第二起偏器7和第三起偏器8使得第一脉冲激光器3、第二脉冲激光器4、第三脉冲激光器5发射出来的激光的振动方向依次偏角60度；

(4)调整高速摄像机的拍摄角度，使得第一高速摄像机9、第二高速摄像机10和第三高速摄像机11分别垂直正对着尾水管18六面体三个互不平行的侧面，三个高速摄像机分别对焦第一截面15、第二截面16和第三截面17；调整高速摄像机的焦距，使之各自能够清晰拍摄所正对的流场截面；在第一高速摄像机9、第二高速摄像机10和第三高速摄像机11镜头前分别安装第一偏振片12、第二偏振片13和第三偏振片14，偏振片使得只有高速摄像机观测的截面的光才能透过；这三个偏振片分别只透过第一截面15的偏振光、第二截面16的偏振光和第三截面17的偏振光；从而使得第一高速摄像机9只能拍摄到第一截面15的流场信息，第二高速摄像机10只能拍摄到第二截面16的流场信息，第三高速摄像机11只能拍摄到第三截面17的流场信息；

(5)在计算机上设置拍摄时长和拍摄间隔，控制及数据采集器2控制脉冲激光器的发射和高速摄像机的拍摄同步；拍摄时长和拍摄间隔可以根据实验需要进行设定，一般来说，拍摄间隔根据激光照亮流场的频率有关，当激光照亮一次流场，高速摄像机拍摄保存一幅画面，拍摄时长也可以根据实验需要设置，一般拍摄时长设置成60s足够；

(6)高速摄像机拍摄的图像经过控制及数据采集器2传输到计算机，计算机通过互相关算法建立截面速度场，由图4互相关算法运算执行图可知，该算法选取t时刻和t+Δt时刻的两幅粒子图像，在图像相同的位置选取两个查询窗口，f(i,j)代表第一幅图片中，点(i,j)位置的查询窗口分布函数，g(i,j)代表第二幅图片中，点(i,j)位置的查询窗口分布函数，点(i,j)坐标是查询窗口中的坐标；图4中，在点(i,j)位置的查询窗口采样，I₁代表从第一幅图中选取的采样窗口图片，I₂代表从第二幅图中选取的采样窗口图片，第二幅图中选取的采样窗口的大小为mn，第一幅图中选取的采样窗口的大小为MN，对生成的两个采样窗口利用FFT算法进行互相关，代入互相关函数：

其中，表示通过互相关函数计算出来的互相关值，利用该值判断两幅图片不同位置的相同粒子，从而得到粒子位移△s为(m,n)，由位移△s以及两幅图像的时间间隔Δt可以得到示踪粒子的速度

△s是具有方向和大小的矢量，得到的也是具有方向和大小的矢量，由可以得到粒子的速度矢量图；由可以得到：v_x(i,j)与v_y(i,j)，v_x(i,j)代表点(i,j)处的x轴分速度场，v_y(i,j)代表点(i,j)处的y轴分速度场；利用互相关算法进行速度场计算的效果图如图5所示。

由高速摄像机拍摄的图像可以得到不同截断面的粒子二维位置信息，通过不同截断面的粒子二维位置信息和流体速度信息可以分析三维流场信息，比如尾水管中流体的速度分布、尾水管流体的分布形态等。

在一些优选的方式中，尾水管18通过法兰结构21连接在水轮机叶轮出口20处。

在一些优选的方式中，尾水管18采用外面是六面体，内部是圆柱体的结构。或者说，尾水管18截面采用外面是六边形，内部是圆形的结构，如图2所示；外形是六面体，这样可以保证入射光线垂直进入尾水管18，图2中，圆圈代表螺栓孔，将螺栓旋入螺栓孔，可以将尾水管18与水轮机叶轮连接起来。

在一些优选的方式中，尾水管18由透明的有机材料制成，有机材料的折射率接近于水，并且拥有良好的透光性，避免入射光源在通过尾水管18时产生光线的折射误差，提高测量精度。

在一些优选的方式中，第一脉冲激光器3、第二脉冲激光器4、第三脉冲激光器5可以为YGA激光器、ND激光器中的任意一种。

在一些优选的方式中，第一高速摄像机9、第二高速摄像机10和第三高速摄像机11可以是CCD高速摄像机、CMOS高速摄像机中的任意一种。

Claims (8)

1.一种用于水轮机尾水管内部流场粒子图像测速的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将尾水管与水轮机叶轮出口连接；

(2)在水轮机流体中加入示踪粒子；

(3)调整脉冲激光器的入射角度，并在三个脉冲激光器的激光发射端分别安装一个起偏器，三个脉冲激光器发射出来的激光的振动方向依次偏角60度；

(4)调整高速摄像机的拍摄角度和焦距，在高速摄像机镜头前安装偏振片，使得只有高速摄像机观测的截面的光才能透过；

(5)设置拍摄时长和拍摄间隔，控制及数据采集器控制脉冲激光器的发射和高速摄像机的拍摄同步；

(6)高速摄像机的拍摄图像传输到计算机，计算机通过互相关算法建立截面速度场。

2.根据权利要求1所述的一种用于水轮机尾水管内部流场粒子图像测速的方法，其特征在于，步骤(1)中，尾水管通过法兰结构与水轮机叶轮出口连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于水轮机尾水管内部流场粒子图像测速的方法，其特征在于，尾水管采用外面是六面体，内部是圆柱体的结构。

4.根据权利要求1所述的一种用于水轮机尾水管内部流场粒子图像测速的方法，其特征在于，尾水管由透明的有机材料制成，有机材料的折射率接近于水。

5.根据权利要求3所述的一种用于水轮机尾水管内部流场粒子图像测速的方法，其特征在于，步骤(3)中，调整脉冲激光器的入射角度，使三个脉冲激光器分别垂直正对着尾水管六面体的三个互不平行的侧面。

6.根据权利要求1所述的一种用于水轮机尾水管内部流场粒子图像测速的方法，其特征在于，脉冲激光器为YGA激光器、ND激光器中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的一种用于水轮机尾水管内部流场粒子图像测速的方法，其特征在于，高速摄像机为CCD高速摄像机、CMOS高速摄像机中的任意一种。

8.根据权利要求3所述的一种用于水轮机尾水管内部流场粒子图像测速的方法，其特征在于，步骤(4)中，调整高速摄像机的拍摄角度，使三个高速摄像机分别垂直正对着尾水管六面体三个互不平行的侧面。