CN103243675B - 一种适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置，中央控制器放置在水平的支撑平台上，连接杆竖直穿过支撑平台且底部固定在测量架上，测量架的一面为背景屏，与之相对的另一面为视频传感器，其上固定有照明光源，背景屏的下边缘装有一组通气针，气泡发生器通过通气管与通气针相连；本发明解决了水库库湾的水流垂向紊动的测量问题，通过测量水库库湾水流的垂向紊动指标，为预测水库库湾水华暴发提供关键依据，有利于保障水库库湾的水质和水环境，避免水华暴发产生的危害。

Description

一种适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置和方法

技术领域

本发明属于水利测量技术领域，具体涉及一种适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置和方法。

背景技术

水流垂向紊动性是水体运动的重要水力学属性。为了更好地合理使用和保护水环境，准确预报河流、湖泊和水库的水环境质量，需要对水流紊动特性进行深入的研究，以便能够深入了解水体中污染物的迁移和扩散，准确计算水环境容量及污染物允许量。特别地，蓄水后水库支流一旦形成较封闭的支流库湾，容易造成水体富营养化和水华暴发。对于水华暴发的条件，目前普遍取得共识的是：充足的营养盐（氮、磷、硅等）、缓慢的水流流态和适宜的气候条件（水温、光照等）。近些年，国内外相关研究表明，水动力条件及水文情势的变化对水华暴发具有决定性影响，其中，水流的属性中除流速、流量外，垂向紊动强弱也是水华发生的一个关键因素，较强的垂向紊动有利于水华的消失，因此，垂向紊动测量对水库库湾水华暴发的预警具有十分重要的意义。

目前对水流垂向紊动特性的测量和分析主要手段是数值模拟方法，缺少一类能开展实际现场原型观测的水流垂向紊动指标的装置和方法。已有文献公开了水体流动观测的技术方案，例如，申请号为201110429917.X的专利《一种利用气泡测量河渠流速的方法及装置》公开了一种利用气泡测量河渠流速的方法及装置，专利申请号为200510031229.2的专利《流体内部全流场三维可视流向、流速测量装置》公开了一种流体内全流场三维可视流向、流速测量装置。但需指出，这些已有技术虽然能够部分实现流速值和流场分布的测量，但均不具备原型观测水流垂向紊动特性及其具体数值的能力。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置和方法，通过测量和分析气泡在动态水流中的运动过程，进而测出现场的水流垂向紊动指标值。

技术方案：本发明提供了一种适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置，包括支撑平台、中央控制器、连接杆、测量架、气泡发生器、通气管、通气针、背景屏、视频传感器和照明光源，所述中央控制器放置在水平的支撑平台上，所述连接杆竖直穿过所述支撑平台且底部固定在所述测量架上，所述测量架的一面为背景屏，与之相对的另一面为视频传感器，所述视频传感器上固定有所述照明光源，所述背景屏的下边缘安装有一组通气针，所述气泡发生器通过所述通气管与通气针相连。

优选地，所述支撑平台的边缘上设有固定盘，通过所述固定盘将整个水流垂向紊动测量装置固定在测量船等物体上，提高实际测量时操作的稳定性。

为了便于调整测点的水深，所述连接杆上标有刻度，所述连接杆和所述支撑平台的连接处设有上下移动和旋转连接杆的夹固装置，测量时，通过夹固装置调节连接杆在水面下的长度以及调整连接杆上视频传感器的测量方向，其中，测点的深度可从测量杆上的刻度读出。

优选地，所述背景屏由匀质钢板制成，形状为矩形，竖直固定在所述测量架上，所述背景屏上均匀绘有若干横竖垂直相交的直线形成栅格，每个栅格尺寸不小于气泡的直径的两倍，便于记录图像中气泡上升的时间和位移坐标数据，使所述背景屏为底面的气泡运动图像清晰可见，减少测量区域附近其他干扰因素对成像效果的影响。

为了保证视频传感器在水下正常工作，所述视频传感器做防水处理，且其监视范围大于所述背景屏的面积，保证视频传感器能够捕捉到每个气泡在背景屏上上升时的运动图像，提高数据的完整性和准确性。

优选地，所述照明光源为LED水下照明灯，产生的光线投射在所述背景屏上，且光线覆盖范围大于所述背景屏的面积，通过照亮视频传感器所测区域，利于成像测量。

所述气泡发生器通过通气管在通气针的末端形成气泡，优选地，所述通气针的长度为10cm以上，使产生的气泡与所述背景屏保持一定距离，以减小背景屏对水流流场的干扰。

一种使用上述适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置的适用于水库库湾的水流垂向紊动测量方法，包括如下步骤：

（1）将适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置置于测量区域，调整连接杆的上下位置来确定所测测点的水深，调整背景屏的朝向即测量方向，使背景屏与水体水平流动方向平行，将水深h输入中央控制器；

（2）打开气泡发生器和视频传感器，光线不足时打开照明光源，设定气泡的产生速率，待气泡发生器排出的气泡串稳定后开始采集气泡的图像；

（3）将图像连续传输到中央控制器对气泡运动过程数字化，连续记录下每帧图像中气泡上升的时间和位移数据，用静水基础数据修正所述的气泡上升时间和位移数据，得到气泡相对上升时间和相对位移值；对于每个气泡，采用的修正公式如下：

$S_t=S_{1t}-S_{0t}+\frac{T}{\mathrm{\Δt}}{S}_0$

上式为矢量运算，式中，S_t为修正后气泡在t时刻的相对位移，S_1t为气泡在t时刻动水条件下测量所得的位移，S_0t为气泡在同一水深测点下静水中相应t时刻的位移，T为气泡从产生到拍摄经历的时间，Δt为相邻图像之间的时间间隔，S₀为垂直方向上的常量位移，目的是为了使下一时刻产生的气泡图像增加一个平移量因而同上一时刻的气泡图像不至重叠，其中：

$S_0=\frac{b}{n}$

式中：b为背景屏竖直边的边长，n为适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置在静水中所能采集到的一列气泡的个数；

（4）利用垂向紊动背景数据，以不同水流流态下气泡上升的时间和位移数据及其对应的垂向紊动指标值作为插值节点，以实际测量时所得的气泡相对上升时间和相对位移为自变量，进行插值计算，得到对应的垂向紊动指标值。

所述适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置在第一次使用前，首先进行装置校正和调试：

得到步骤（3）中所述的静水基础数据的方法为：将所述适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置放置在静水中运行，在不同水深处采集气泡的运动图像并将其数字化，记录每帧图像中气泡上升的时间和位移数据，将其制作成静水基础数据存储在中央控制器内，用于消除气泡所受的浮力对气泡运动状态的影响；

得到步骤（4）中所述垂向紊动背景数据的方法为：

（i）模拟水库库湾中不同的水流流态，分别将适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置置于不同的模拟水流流态中运行，采集气泡在不同水流流态中的运动图像并将其数字化，记录每帧图像中气泡上升的时间和位移数据；

（ii）重复步骤（3）的修正过程得到修正后气泡上升的时间和位移数据；

（iii）利用互相关函数法对修正后的气泡上升时间和位移数据进行互相关分析，求出每个气泡的速度，得到测量水流流场的全流场速度信息；研究每个气泡，互相关分析采用如下公式：

R(Δx,Δy)＝∫∫s₁(x,y)s₂(x-Δx,y-Δy)dxdy

式中，以背景屏（8）的左下角为原点，沿下边缘水平向右为x轴正方向，左边缘竖直向上为y轴正方向建立笛卡尔直角坐标系，x表示气泡在x轴方向的坐标值，y表示气泡在y轴方向的坐标值，Δx表示气泡在Δt时段内的位移在x轴方向的分量，Δy表示气泡在Δt时段内的位移在y轴方向的分量，s₁(x,y)为t₁时刻流场区域对应的图像亮度分布函数，s₂(x,y)为t₂时刻流场区域对应的图像亮度分布函数，R(Δx,Δy)为s₁(x,y)和s₂(x,y)的互相关函数，表示s₁(x,y)和s₂(x,y)之间的相似性，函数最大值所在位置(Δx,Δy)即对应一组图像对之间的气泡位移s；

求水流流场中气泡速度矢量的计算公式为：

$v=\frac{s}{\mathrm{\Δt}}$

式中，s为气泡位移向量，Δt为相邻图像的间隔时间，v为气泡速度矢量；

（iv）利用所测水流流场中各点的速度矢量，计算水流垂向紊动指标值：

$E_z=0.0025{\stackrel{\‾}{u}}_{a}h$

式中，E_z为垂向紊动扩散系数，

为垂向平均流速振幅，即垂向平均流速的最大值，为步骤（iii）所得气泡速度矢量数据中各点垂向方向上速度分量的最大值，h为水深；

将不同水流流态下气泡上升的时间和位移数据与垂向紊动指标值一一对应处理成垂向紊动背景数据，存储在中央控制器里，作为实际测量的插值控制节点。

有益效果：1、本发明解决了水流垂向紊动的现场测量问题，可以为水库支流库湾水华暴发的预测提供重要依据，有利于保障水库库湾的水质和水环境；2、本发明只在水中产生少量气泡，通过观测和分析水流中的气泡运动图像获取水流垂向紊动指标，成本低廉且不会影响测量区域的水质；3、本发明完成装置校正和装置调试后，实际测量所需的步骤简单，无需进行内部计算，可以快速获得测量值，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明所述适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置的正面结构示意图；

图2为本发明所述适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置的侧面结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：如图1所示，一种适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置，包括固定盘1、支撑平台2、中央控制器3、连接杆4、测量架5、视频传感器6、照明光源7、背景屏8、气泡发生器9、通气针10、夹固装置11、通气管12，支撑平台2的尺寸为500mm×500mm，中央控制器3放置在水平的支撑平台2上，本实施例中的中央控制器3采用MCS-51单片机，可对图像进行处理，记录气泡在已知时间间隔内的位移，从而得到质点的运动速度，使用在本发明中可得到所测水流流场中气泡的运动数据，另外中央控制器3还控制测量装置的运行，可通过中央控制器3上简单的操作界面进行人工操作，也能通过网络定时与远程计算机进行交互传输，例如控制气泡发生器9发出气泡的速率；支撑平台2一边的边缘上设有固定盘1，固定盘1由两块钢板组成，每块钢板的尺寸为300mm×150mm×20mm，通过螺栓夹装在测量船上，将整个水流垂向紊动测量装置固定在测量船上，保证实际测量操作时的稳定性；连接杆4的长度为5m，支撑平台2上开有一个直径略大于连接杆4杆径的圆孔，连接杆4竖直的穿过圆孔通过夹固装置11安装在支撑平台2上，拧松夹固装置11上的螺钉可上下调节及旋转连接杆4的位置，以便调整测点水深和测量方向，调整好后旋紧螺钉，连接杆4上标有刻度可读出测点水深；连接杆4的底部固定在测量架5的上表面，测量架5的一面为由匀质钢板制成的矩形的背景屏8，背景屏8的尺寸为1040mm×1000mm，其上均匀绘有若干横竖垂直相交的直线形成栅格，每个栅格尺寸不小于气泡的两倍直径，便于记录图像中气泡上升的时间和位移坐标数据；与之相对的另一面为视频传感器，其上固定有照明光源7，照明光源7采用LED水下照明灯，视频传感器6做防水处理，且视频传感器6的镜头正对背景屏8的中心位置，视频传感器6和照明光源7监控范围略大于背景屏8的面积；背景屏8的下边缘装有一组十个通气针10，通气针10的长度为10cm，通气针10之间的间距为10cm，一组十根通气管12紧贴背景屏8的背面分别一一对应连接气泡发生器9和每个通气针10，气泡发生器9通过通气管12在通气针10的末端形成气泡。

使用上述测量装置实施的一种适用于水库库湾的水流垂向紊动测量方法，包括如下步骤：

（1）在测量装置第一次使用之前，进行装置校正：将测量装置放置在静水中，分别在水深为0.5m、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、4m、4.5m和5m运行测量装置，中央控制器3驱动视频传感器6采集气泡的运动图像，设定每隔0.5秒经由视频传感器6将图像传递至中央控制器3，中央控制器3将气泡运动过程数字化，记录每帧图像中气泡上升的时间和位移数据并将其制作成静水基础数据，并将静水基础数据存储在中央控制器3内，用于消除气泡所受的浮力对气泡运动状态的影响；

（2）在测量装置第一次使用之前，进行装置调试：

在实验室中模拟水库库湾中可能发生的不同水流流态，分别将测量装置置于不同的模拟水流流态中运行，参照不同季节水库蓄水水位变化规律，本实施例中设定了最常见的七种典型水流流态，分别为：典型流态1（12月份下游水库蓄水中期，某水库支流库湾的典型流态）、典型流态2（1月份下游水库蓄水末期，某水库支流库湾的典型流态）、典型流态3（2月份下游水库泄水初期，某水库支流库湾的典型流态）、典型流态4（10月份下游水库蓄水初期，某水库支流库湾的典型流态）、典型流态5（3月份下游水库泄水中期，某水库支流库湾的典型流态）、典型流态6（6月份下游水库泄水末期，某水库支流库湾的流态）和典型流态7（8月份汛期，某水库支流库湾的典型流态）；

以模拟典型流态1为例：

（i）设定测点水深为2m，气泡发生器9产生气泡的速率为2个/秒，待气泡串稳定上升后，中央控制器3驱动视频传感器6采集气泡在不同水流流态中的运动图像，设定每隔0.5秒中央控制器3将气泡运动过程数字化，参照背景屏上的栅格，连续记录下每帧图像中气泡上升的时间和位移数据，得到每帧图像中气泡上升的时间和位移数据；

（ii）对于典型流态1，用步骤（1）中得到的静水基础数据修正气泡的上升时间和位移数据，得到修正后气泡上升时间和位移数据，消除气泡浮力的影响；按下中央控制器3上的分析按键，对于每个气泡，对其运动数据进行修正：

$S_t=S_{1t}-S_{0t}+\frac{T}{\mathrm{\Δt}}{S}_0$

上式为矢量运算，式中，S_t为修正后气泡在t时刻的相对位移，S_1t为气泡在t时刻动水条件下测量所得的位移，S_0t为气泡在同一水深测点下静水中相应t时刻的位移，T为气泡从产生到拍摄经历的时间，Δt为相邻图像之间的时间间隔，S₀为垂直方向上的常量位移，目的是为了使下一时刻产生的气泡图像增加一个平移量因而同上一时刻的气泡图像不至重叠，其中：

$S_0=\frac{b}{n}$

式中：b为背景屏8竖直边的边长，n为适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置在静水中所能采集到的一列气泡的个数；

（iii）利用互相关函数法对修正后的气泡上升时间和位移数据进行互相关分析，求出每个气泡的速度，得到测量水流流场的全流场速度信息；研究每个气泡，互相关分析采用如下公式：

R(Δx,Δy)＝∫∫s₁(x,y)s₂(x-Δx,y-Δy)dxdy

式中，以背景屏（8）的左下角为原点，沿下边缘水平向右为x轴正方向，左边缘竖直向上为y轴正方向建立笛卡尔直角坐标系，x表示气泡在x轴方向的坐标值，y表示气泡在y轴方向的坐标值，Δx表示气泡在Δt时段内的位移在x轴方向的分量，Δy表示气泡在Δt时段内的位移在y轴方向的分量，s₁(x,y)为t₁时刻流场区域对应的图像亮度分布函数，s₂(x,y)为t₂时刻流场区域对应的图像亮度分布函数，R(Δx,Δy)为s₁(x,y)和s₂(x,y)的互相关函数，表示s₁(x,y)和s₂(x,y)之间的相似性，函数最大值所在位置(Δx,Δy)即对应一组图像对之间的气泡位移s；

求气泡速度矢量的计算公式为：

$v=\frac{s}{\mathrm{\Δt}}$

式中，s为气泡位移向量，Δt为相邻图像的间隔时间，v为气泡速度矢量；

（iv）利用所测水流流场中各点的速度矢量，计算水流垂向紊动指标值：

$E_z=0.0025{\stackrel{\‾}{u}}_{a}h$

式中：E_z为垂向紊动扩散系数，为垂向平均流速振幅，即垂向平均流速的最大值，为步骤（iii）所得气泡速度矢量数据中各点垂向方向上速度分量的最大值，h为水深；将修正后气泡上升的时间和位移数据与垂向紊动指标值一一对应处理成垂向紊动背景数据，存储在中央控制器3里，作为实际测量的插值节点；

类似地，模拟典型流态2～7，对于每个典型流态重复步骤（i）～（iv），其中步骤（ii）中输入典型流态的序号为2～7，得到所有典型流态的插值节点，形成七组垂向紊动背景数据；

（3）实际测量时，将测量装置置于某河流河口实际测量点的水环境中，调整连接杆4的上下位置来确定所测测点的水深，调整背景屏8的朝向即测量方向，设定水深为2m，气泡产生速率为2个/秒；打开气泡发生器和视频传感器6，待气泡串稳定后开始采集气泡的图像；设定时间间隔为0.5秒，将图像传输到中央控制器3并将其数字化，得到每帧图像中气泡上升的时间和位移数据；利用步骤（1）中得到的静水基础数据修正气泡上升的时间和位移数据，得到气泡相对上升时间和相对位移；对气泡的运动图像进行互相关分析，得到全流场的速度信息；利用步骤（2）中得到的垂向紊动背景数据，以不同水流流态下气泡上升的时间和位移数据及其对应的垂向紊动指标值作为插值控制节点，以实际测量时所得气泡相对上升时间和相对位移为自变量，进行差值计算，得到测量数据所对应的垂向紊动指标值；

下表为插值运算的具体数据：

其中，A_i(t,m,n)表示典型流态i对应的流场中所测得各气泡的上升时间和位移数据矩阵，它的每个元素a_ij(t,m,n)由三个数字t、m、n组成，t为图像拍摄的时刻，m为气泡在x轴方向的坐标值，n为气泡在y轴方向的坐标值；测得实际的气泡时间和位移数据A(t,m,n)后，取其中的每个元素a_j(t,m,n)分别与A_i(t,m,n)中对应的元素a_ij(t,m,n)进行比较：比较时对应元素中的t值相同，若m_ij≤m_j≤m_kj且n_ij≤n_j≤n_kj，则表示a_j(t,m,n)落在A_i(t,m,n)和A_k(t,m,n)所对应的典型流态i和典型流态k之间，否则舍去。

本实施例中，A(t,m,n)的元素落在典型流态3和典型流态4中的个数最多（占气泡总数的41.86%），则所求垂向紊动扩散系数E_z=1.98×10^-4+(3.27×10^-4-1.98×10^-4)×41.86%=2.52×10^-4m²/s。

如上，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (10)

1.一种适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置，包括支撑平台（2）、中央控制器（3）、连接杆（4）、测量架（5）、气泡发生器（9）、通气管（12）、通气针（10）、背景屏（8）、视频传感器（6）和照明光源（7），其特征在于：所述中央控制器（3）放置在水平的支撑平台（2）上，所述连接杆（4）竖直穿过所述支撑平台（2）且底部固定在所述测量架（5）上，所述测量架（5）的一面为背景屏（8），与之相对的另一面为视频传感器（6），所述视频传感器（6）上固定有所述照明光源（7），所述背景屏（8）的下边缘安装有一组通气针（10），所述气泡发生器（9）通过所述通气管（12）与通气针（10）相连。

2.根据权利要求1所述的适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置，其特征在于：所述支撑平台（2）的边缘上设有固定盘（1），通过所述固定盘（1）将整个水流垂向紊动测量装置固定在测量船上。

3.根据权利要求1所述的适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置，其特征在于：所述连接杆（4）上标有刻度，所述连接杆（4）和所述支撑平台（2）的连接处设有上下移动和旋转连接杆（4）的夹固装置（11）。

4.根据权利要求1所述的适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置，其特征在于：所述背景屏（8）为竖直固定在所述测量架（5）上的矩形匀质钢板，所述背景屏（8）上均匀绘有横竖垂直相交的直线形成的栅格，每个栅格尺寸不小于气泡的直径的两倍。

5.根据权利要求1所述的适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置，其特征在于：所述视频传感器（6）做防水处理且其监视范围大于所述背景屏（8）的面积。

6.根据权利要求1所述的适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置，其特征在于：所述照明光源（7）为LED水下照明灯，产生的光线投射在所述背景屏（8）上，且光线覆盖范围大于所述背景屏（8）的面积。

7.根据权利要求1所述的适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置，其特征在于：所述通气针（10）的长度为10cm以上。

8.一种使用如权利要求1所述的适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置的适用于水库库湾的水流垂向紊动测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）将适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置置于测量区域，调整连接杆（4）的上下位置来确定所测测点的水深，调整背景屏（8）的朝向，使背景屏（8）与水体水平流动方向平行，将水深h输入中央控制器（3）；

（2）打开气泡发生器（9）和视频传感器（6），光线不足时打开照明光源（7），设定气泡的产生速率，待气泡发生器（9）排出的气泡串稳定后开始采集气泡的图像；

（3）将图像连续传输到中央控制器并将气泡运动过程数字化，连续记录每帧图像中气泡上升的时间和位移数据，用静水基础数据修正所述气泡上升的时间和位移数据，得到气泡相对上升时间和相对位移；对于每个气泡，采用的修正公式如下：

$S_t=S_{1t}-S_{0t}+\frac{T}{\mathrm{\Δt}}{S}_0$

上式为矢量运算，式中，S_t为修正后气泡在t时刻的相对位移，S_1t为气泡在t时刻动水条件下测量所得的位移，S_0t为气泡在同一水深测点下静水中相应t时刻的位移，T为气泡从产生到拍摄经历的时间，Δt为相邻图像之间的时间间隔，S₀为垂直方向上的常量位移，其中：

$S_0=\frac{b}{n}$

式中，b为背景屏（8）竖直边的边长，n为适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置在静水中所能采集到的一列气泡的个数；

（4）利用垂向紊动背景数据，以不同水流流态下气泡上升的时间和位移数据及其对应的垂向紊动指标值作为插值节点，以实际测量时气泡相对上升时间和相对位移为自变量，进行插值计算，得到对应的垂向紊动指标值。

9.根据权利要求8所述的适用于水库库湾的水流垂向紊动测量方法，其特征在于：得到步骤（3）中所述的静水基础数据的方法为：在第一次使用适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置之前，将其放置在静水中运行，在不同水深处采集气泡的运动图像并将其数字化，记录每帧图像中气泡上升的时间和位移数据并将其制作成静水基础数据存储在中央控制器（3）内。

10.根据权利要求8或9所述的适用于水库库湾的水流垂向紊动测量方法，其特征在于：得到步骤（4）中所述垂向紊动背景数据的方法为：

（i）在第一次使用适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置之前，模拟水库库湾中不同的水流流态，分别将适用于水库库湾的水流垂向紊动测量装置置于不同的模拟水流流态中运行，采集气泡在不同水流流态中的运动图像并将其数字化，记录每帧图像中气泡上升的时间和位移数据；

（ii）重复步骤（3）的修正过程得到修正后气泡上升时间和位移数据；

（iii）利用互相关函数法对修正后的气泡上升时间和位移数据进行互相关分析，求出每个气泡的速度，得到测量水流流场的全流场速度信息；研究每个气泡，互相关分析采用如下公式：

R(Δx,Δy)＝∫∫s₁(x,y)s₂(x-Δx,y-Δy)dxdy

式中，以背景屏（8）的左下角为原点，沿下边缘水平向右为x轴正方向，左边缘竖直向上为y轴正方向建立笛卡尔直角坐标系，x表示气泡在x轴方向的坐标值，y表示气泡在y轴方向的坐标值，Δx表示气泡在Δt时段内的位移在x轴方向的分量，Δy表示气泡在Δt时段内的位移在y轴方向的分量，s₁(x,y)为t₁时刻流场区域对应的图像亮度分布函数，s₂(x,y)为t₂时刻流场区域对应的图像亮度分布函数，R(Δx,Δy)为s₁(x,y)和s₂(x,y)的互相关函数，表示s₁(x,y)和s₂(x,y)之间的相似性，函数最大值所在位置(Δx,Δy)即对应一组图像对之间的气泡位移s；

求水流流场中各气泡速度矢量的计算公式为：

$v=\frac{s}{\mathrm{\Δt}}$

式中，s为气泡位移向量，Δt为相邻图像的间隔时间，v为气泡速度矢量；

（iv）利用所测水流流场中各点的气泡速度矢量，计算水流垂向紊动指标值：

$E_z=0.0025{\stackrel{\‾}{u}}_{a}h$

式中，E_z为垂向紊动扩散系数，

为垂向平均流速振幅，即垂向平均流速的最大值，为步骤（iii）所得气泡速度矢量数据中各点垂向方向上速度分量的最大值，h为水深；

将不同水流流态下气泡上升的时间和位移数据与垂向紊动指标值一一对应处理成垂向紊动背景数据，存储在中央控制器（3）里，作为实际测量时的插值控制节点。

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