CN104502057B - 一种柱体绕流粒子图像测速实验装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柱体绕流粒子图像测速实验装置及测量方法，包括柱体、支撑平台、旋转平台、反射光学系统；支撑平台设在柱体上方；旋转平台重叠设在支撑平台上方；反射光学系统设在柱体内底部；本发明具有如下有益的技术效果：由透明空心柱体代替绕流柱体，并通过光学反射原理，使沿柱体轴线传播的光线从柱体侧壁进出水体，实现对可动床面明渠柱体绕流的PIV测量，有效克服了传统测量手段单点、有干扰、存在测量盲区等缺陷，在已有PIV系统及柱体绕流实验装置的基础上，只需增加少量硬件设施即可实现，经济效益明显、易于实现。

Description

一种柱体绕流粒子图像测速实验装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种柱体绕流粒子图像测速实验装置及测量方法，尤其是一种在可动床面明渠中开展柱体绕流PIV实验所需的实验装置和方法，属于水利量测技术领域。

背景技术

在可动床面明渠中垂直安放柱体结构，水流在柱体上游发生减速、分叉和边界层分离，形成马蹄涡系，在柱体两侧产生加速流，在柱体下游两侧发生边界层分离，形成尾流涡街，当来流速度大于始冲流速时，柱体四周在马蹄涡系、加速流及尾流涡街的共同作用下发生局部冲刷，上述现象是可动床面柱体绕流的主要特征。明渠可动床面柱体绕流是工程实践中常见的流动形态，如水利工程中的闸墩绕流、桥梁工程中的桥墩绕流均属于此类流动。由于柱体周围的局部冲刷坑会削弱结构地基，诱导结构失事，因此，研究可动床面柱体绕流特征，对于优化涉水结构设计、预防结构失事具有重要工程实践价值和理论意义。

与经典二维圆柱绕流问题相比，明渠柱体绕流具有明显三维特征，难以理论分析或数值求解，因此，实验测量是研究明渠柱体绕流的主要途径，而声学多普勒流速仪(ADV)是目前应用最为广泛的测量仪器。ADV是一种单点流速测量技术，使用时需将测量探头置于水中，探头与测量点之间预留约5cm的测量盲区。显然，使用ADV测量柱体绕流具有工作量大、对水流有干扰、存在测量盲区等缺陷，特别是在浅水实验时，根本无法开展ADV测量；与此同时，使用单点测量技术也难以测得柱体周围的马蹄涡等三维结构。

PIV(Particle Image Velocimetry)又称粒子图像测速法，是一种新颖的全场、无干扰、瞬时流速测量技术，可以克服ADV单点、有干扰、存在测量盲区等缺陷，近年来已逐渐被用于明渠光滑床面柱体绕流的实验研究。图1示意了一种利用PIV开展明渠光滑床面柱体绕流实验的方法，实验水槽由玻璃底板(11)和玻璃侧壁(12)组成，底板上垂直安放绕流柱体(21)，为了利用PIV测量柱体周围的流场，将激光系统(41)发出的激光片光(43)经玻璃底板(11)导入水体，照亮测量垂面(31)内的示踪粒子；粒子散射的成像光线(44)透过玻璃侧壁(12)到达相机(42)的感光面，相机(42)连续拍摄粒子图片，即可通过PIV计算获得测量垂面(31)内的流场。显然，利用PIV进行流场测量时，实验系统必须具有两个相互垂直或大角度相交的透光窗口，一个供激光片光(43)进入待测水体，另一个供测量垂面(31)发出的成像光线(44)进入相机。对于图1所示的水槽系统，除玻璃底板(11)和玻璃侧壁(12)外，水面也满足透光要求，但由于运动水体的表面存在波动，光线经过水面时容易因折射而发生偏折，导致测量面不平整或粒子图片发生不规则变形，严重影响PIV测量精度，因而不适合作为透光窗口。

综上所述，当水槽底板铺沙以开展可动床面柱体绕流实验时，水槽系统将只有侧壁一个透光窗口；同时，当柱体四周形成冲刷坑后，由于坑内床面低于坑外床面，使得坑内测量面的成像光线无法通过水槽侧壁进入相机，这些因素制约了PIV在明渠可动床面柱体绕流实验中的应用。

发明内容

为了解决可动床面时明渠水槽仅有侧壁一个透光窗口和冲刷坑内的成像光线无法通过玻璃侧壁进入相机的问题，本发明提供一种柱体绕流粒子图像测速实验装置及方法；本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种柱体绕流粒子图像测速实验装置，包括柱体、支撑平台、旋转平台、反射光学系统；所述支撑平台设在所述柱体上方；所述旋转平台重叠设在所述支撑平台上方；所述反射光学系统设在所述柱体内底部。

进一步地，所述柱体为透明空心结构。

进一步地，所述支撑平台中部设有圆孔；所述支撑平台通过支架与水槽或试验平台连接。

进一步地，所述旋转平台为圆环结构，所述圆环的中心与所述支撑平台的圆孔的中心竖直对齐。

进一步地，所述反射光学系统包括反射镜、反射镜架和伸缩杆；所述反射镜设在所述反射镜架的倾斜面；所述伸缩杆的第一端连接所述反射镜架的背面；所述伸缩杆的第二端连接所述支撑平台的底部。

进一步地，所述实验装置还包括导光系统，所述导光系统设在所述柱体的一侧；所述导光系统包括第一水平滑杆、第二水平滑杆、第一竖直伸缩杆、第二竖直伸缩杆、第一环形导轨、第二环形导轨和透光片；所述第一水平滑杆的第一端和所述第二水平滑杆的第一端与所述旋转平台水平连接；所述第一竖直伸缩杆的第一端与所述第一水平滑杆的第二端垂直连接，所述第二竖直伸缩杆的第一端与所述第二水平滑杆的第二端垂直连接；所述第一竖直伸缩杆的第二端与所述第一环形导轨的第一端连接，所述第二竖直伸缩杆的第二端与所述第二环形导轨的第一端连接；所述第一环形导轨的第二端与所述透光片的第一端连接，所述第二环形导轨的第二端与所述透光片的第二端连接。

一种柱体绕流粒子图像测速的测量方法，包括如下步骤，

步骤1)在铺沙前将实验装置固定在水槽的底板；

步骤2)将激光系统竖直向下安装在旋转平台上；

步骤3)将相机水平安装在水槽的侧壁外侧；

步骤4)当激光系统的激光片光沿柱体的母线方向传播至反射光学系统的反射面，被反射后垂直于所述柱体的侧壁进入水体照亮测量垂面，成像光线经水槽的侧壁到达所述相机的感光面时，使用所述相机连续拍摄；

步骤5)经粒子图像测速计算后获得坑外测量垂面内的流场。

一种柱体绕流粒子图像测速的测量方法，包括如下步骤，

步骤1)在铺沙前将所述实验的装置固定在水槽的底板；

步骤2)将导光系统设在柱体外侧水面；

步骤3)将相机竖直向下安装在旋转平台上，使镜头光轴与旋转平台的中心及反射光学系统的反射面中心竖直对齐；

步骤4)调整导光系统，使透光片半潜入水面；

步骤5)将激光系统竖直向下安装在水面上方，使激光片光经透光片竖直向下进入水体，照亮冲刷坑内的测量垂面；

步骤6)当测量垂面散射的成像光线通过柱体的侧壁到达反射光学系统的反射面，散射的成像光被反射后沿柱体母线方向进入相机感光面时，相机连续拍摄图片；

步骤7)经粒子图像测速计算后获得冲刷坑内测量垂面的二维流场。

一种柱体绕流粒子图像测速的测量方法，包含如下步骤，

步骤1)将透光片竖直中轴所在的垂线定义为测线；

步骤2)在每个测线处，分别将透光片置于环状导轨上两个不同位置，使测线先后被两个不同的测量垂面覆盖；

步骤3)分别测得每个测量垂面的二维平均流场，然后提取出每个垂面内测线上的二维平均流速分布，按立体投影原理重构出三维平均流速分布；

步骤4)转动旋转平台和调整竖直伸缩杆在水平滑杆上的位置改变测线；

步骤5)重复上述步骤，得到柱体周围冲刷坑内的三维时均流场。

本发明具有如下有益的技术效果：

(1)本发明充分利用了明渠柱体绕流实验中，柱体与水流接触面不随时间变形，以及接触面底边为冲刷最深处的特点，将绕流柱体由透明空心柱体代替，并通过光学反射原理，使沿柱体轴线传播的光线从柱体侧壁进出水体，实现对可动床面明渠柱体绕流的PIV测量，有效克服了传统测量手段单点、有干扰、存在测量盲区等缺陷。

(2)本发明将PIV系统的相机、激光系统、反射光学系统和导光系统同时固定在旋转平台上，当通过转动旋转平台改变测量位置时，由于设备之间的相对位置不发生改变，无需对光路系统进行调整，在对冲刷坑进行测量时，也无需反复进行图像的变形校正和标定。

(3)在柱体周围的冲刷坑内，本发明借鉴了双目立体投影的基本原理，利用二维PIV系统实现了对三维时均流场的测量。

(4)本发明在已有PIV系统及柱体绕流实验装置的基础上，只需增加少量硬件设施即可实现，经济效益明显、易于实现。

附图说明

图1是一种开展明渠光滑床面柱体绕流PIV实验的方法示意图；

图2是本发明柱体绕流粒子图像测速实验装置示意图；

图3是本发明的利用柱体绕流粒子图像测速实验装置测量冲刷坑外流场的方法示意图；

图4是本发明的利用柱体绕流粒子图像测速实验装置测量冲刷坑内流场的方法示意图。

具体实施方式

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例：如图2所示，本实施例提供一种柱体绕流粒子图像测速实验装置，包括柱体21、支撑平台22、旋转平台23、反射光学系统24；支撑平台22设在柱体21上方；旋转平台23重叠设在支撑平台22上方；反射光学系统24设在柱体21内底部。

在优选方案中，柱体21由均质透明材料加工而成，外轮廓形状、尺寸及安装位置与绕流柱体完全一致，既充当实验绕流柱体，又是激光片光或成像光线进出水体的窗口。柱体21为内径5cm、外径5.5cm的有机玻璃圆管。

在优选方案中，支撑平台22中部设有圆孔，支撑平台22通过支架26固定在水槽上；支撑平台22是由5mm厚钢板加工而成的圆环，圆环内径6cm，外径7cm，沿半径方向切扇形缺口，上表面同心粘贴直径6.5cm的角度刻度盘。

在优选方案中，旋转平台23为圆环结构，圆环的中心与支撑平台22的圆孔的中心竖直对齐；旋转平台23是不锈钢圆盘法兰，颈部高0.5cm、外径6cm、内径5cm，盘面外径6.5cm、厚0.8cm，颈部竖直向下与固定平台22的中孔嵌套安装。法兰圆盘侧壁上以直径为对称轴、间隔3cm布置平行水平螺孔两个，用于连接导光系统25；法兰颈部的下环面布置竖直向上的螺孔一个，用于连接反射光学系统24；当旋转平台23绕中轴旋转时，可带动光学反射系统24及导光系统25同步运动。

在优选方案中，反射光学系统24包括反射镜241、反射镜架242和伸缩杆243；反射镜241设在反射镜架242的倾斜面；伸缩杆243的第一端连接反射镜架242的背面；伸缩杆243的第二端连接旋转平台23的底部。反射镜241为尺寸3cm×4cm的矩形平面反射镜，反射镜架242为武汉同心和光电技术有限公司生产的45度反射镜架，伸缩杆243由直径5mm的普通螺杆通过长螺母拼接而成。反射镜241粘贴在反射镜架242的倾斜面，反射面倾斜朝上，伸缩杆243下端焊接在反射镜架242的背面，上端与旋转平台23下环面的螺孔连接。当光线平行于绕流柱体的母线到达反射面时，反射光线将垂直于柱体母线穿过柱体侧壁。

工作原理一：

如图3所示，在铺沙前将透明空心柱体21固定在水槽底板11，依次在柱体上方架设支撑平台22和旋转平台23，在柱体内部底板附近安装反射光学系统24；激光系统41竖直向下安装在旋转平台23上，相机42水平安装在水槽侧壁12外侧，调整激光系统41在旋转平台23上的位置，使激光光轴与旋转平台23的中心竖直对齐。实验时，激光片光43沿透明空心柱体21的母线方向传播至反射光学系统24的反射面，被反射后垂直于柱体21的侧壁进入水体照亮测量垂面，其中，冲刷坑外测量垂面31的成像光线44经水槽侧壁12可到达相机感光面，相机42连续拍摄图片，经PIV计算后获得坑外测量垂面31内的流场。完成一个垂面的测量后，将旋转平台23转动一定夹角，即可改变测量垂面31的位置；以圆柱绕流为例，当旋转平台23的中心与圆柱中轴重合时，将旋转平台旋转180°，即可测得柱体上游对称面至下游对称面之间的绕流流场。

本实施例的技术效果为：充分利用了明渠柱体绕流实验中，柱体与水流接触面不随时间变形，以及接触面底边为冲刷最深处的特点，将绕流柱体由透明空心柱体代替，并通过光学反射原理，使沿柱体轴线传播的光线从柱体侧壁进出水体，实现对可动床面明渠柱体绕流冲刷坑外流场的PIV测量，有效克服了传统测量手段单点、有干扰、存在测量盲区等缺陷，在已有PIV系统及柱体绕流实验装置的基础上，只需增加少量硬件设施即可实现，经济效益明显、易于实现。

在优选方案中，如图2所示，装置还包括导光系统25，导光系统25设在柱体21的一侧；导光系统25包括第一水平滑杆251、第二水平滑杆255、第一竖直伸缩杆252、第二竖直伸缩杆256、第一环形导轨253、第二环形导轨257和透光片254；第一水平滑杆251的第一端和第二水平滑杆255的第一端与旋转平台23水平连接；第一竖直伸缩杆252的第一端与第一水平滑杆251的第二端垂直连接，第二竖直伸缩杆256的第一端与第二水平滑杆255的第二端垂直连接；第一竖直伸缩杆252的第二端与第一环形导轨253的第一端连接，第二竖直伸缩杆256的第二端与第二环形导轨257的第一端连接；第一环形导轨253的第二端与透光片254的第一端连接，第二环形导轨257的第二端与透光片254的第二端连接。第一水平滑杆251和第二水平滑杆255直径均为5mm，通过杆端螺纹与旋转平台23侧壁的螺孔连接；第一竖直伸缩杆252和第二竖直伸缩杆256均由直径5mm螺杆和长螺母拼接而成，上端经滑块分别与第一水平滑杆253和第二水平滑杆255垂直连接，第一水平滑杆253和第二水平滑杆255下端分别垂直焊接在第一环形导轨253和第二环形导轨257的上表面；第一环形导轨253和第二环形导轨257为内径2.5cm、外径3.5cm的铝质圆环弧段，环面有直径3cm的同心圆弧轨道；透光片254为长3cm、宽0.4cm、高1cm的石英玻璃，高度方向竖直向下，两端通过螺杆水平固定在第一环形导轨253和第二环形导轨257之间，可以绕竖直中轴往复旋转。

工作原理二：

如图4所示，在铺沙前将透明空心柱体21固定在水槽底板11，依次在柱体上方架设支撑平台22和旋转平台23，在柱体内部底板附近安装反射光学系统24，在柱体外侧水面附近安装导光系统25；将相机21竖直向下安装在旋转平台23上，使镜头光轴与旋转平台23的中心及反射光学系统24的反射面中心竖直对齐；调整导光系统25，使透光片254半潜入水面；将激光系统41竖直向下安装在水面上方，使激光片光经透光片254竖直向下进入水体，照亮冲刷坑内的测量垂面32。实验时，测量垂面32散射的成像光线44通过透明空心柱体21的侧壁到达反射光学系统24的反射面，被反射后沿柱体21母线方向进入相机感光面；相机42连续拍摄图片，经PIV计算后获得冲刷坑内测量垂面32的二维流场；转动旋转平台23和调整竖直伸缩杆252在水平滑杆251上的位置，测得冲刷坑内不同切向垂面的二维流场。

本实施例的技术效果为：(1)充分利用了明渠柱体绕流实验中，柱体与水流接触面不随时间变形，以及接触面底边为冲刷最深处的特点，将绕流柱体由透明空心柱体代替，并通过光学反射原理，使沿柱体轴线传播的光线从柱体侧壁进出水体，实现对可动床面明渠柱体绕流冲刷坑内流场的PIV测量；(2)将PIV系统的相机、激光系统、反射光学系统和导光系统同时固定在旋转平台上，当通过转动旋转平台改变测量位置时，由于设备之间的相对位置不发生改变，无需对光路系统进行调整，也无需反复进行图像的变形校正和标定。

在优选方案中，在获得冲刷坑内测量垂面32二维流场的基础上，将透光片254竖直中轴所在的垂线定义为测线，在每个测线处，分别将透光片254置于环状导轨253上两个不同位置，使测线先后被两个不同的测量垂面32覆盖；分别测得每个测量垂面32的二维平均流场，然后提取出每个垂面内测线上的二维平均流速分布，按立体投影原理重构出三维平均流速分布；转动旋转平台23和调整竖直伸缩杆252在水平滑杆251上的位置改变测线，重复上述步骤，得到柱体周围冲刷坑内的三维时均流场。

本实施例技术效果为：在柱体周围的冲刷坑内，借鉴了双目立体投影的基本原理，利用二维PIV系统实现了对三维时均流场的测量。

以上仅是本发明的一个优选实施例，所述具体实施方式只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种柱体绕流粒子图像测速实验装置，其特征在于，

包括柱体、支撑平台、旋转平台、反射光学系统；

所述支撑平台设在所述柱体上方；

所述旋转平台重叠设在所述支撑平台上方；

所述反射光学系统设在所述柱体内底部；

所述柱体为透明空心结构；

所述支撑平台中部设有圆孔；

所述支撑平台通过支架与水槽或试验平台连接。

2.根据权利要求1所述的柱体绕流粒子图像测速实验装置，其特征在于，

所述旋转平台为圆环结构，所述圆环的中心与所述支撑平台的圆孔的中心竖直对齐。

3.根据权利要求2所述的柱体绕流粒子图像测速实验装置，其特征在于，

所述反射光学系统包括反射镜、反射镜架和伸缩杆；

所述反射镜设在所述反射镜架的倾斜面；

所述伸缩杆的第一端连接所述反射镜架的背面；

所述伸缩杆的第二端连接所述支撑平台的底部。

4.根据权利要求1-3任意一项中所述的柱体绕流粒子图像测速实验装置，其特征在于，

所述实验装置还包括导光系统，所述导光系统设在所述柱体的一侧；

所述导光系统包括第一水平滑杆、第二水平滑杆、第一竖直伸缩杆、第二竖直伸缩杆、第一环形导轨、第二环形导轨和透光片；

所述第一水平滑杆的第一端和所述第二水平滑杆的第一端与所述旋转平台水平连接；

所述第一竖直伸缩杆的第一端与所述第一水平滑杆的第二端垂直连接，所述第二竖直伸缩杆的第一端与所述第二水平滑杆的第二端垂直连接；

所述第一竖直伸缩杆的第二端与所述第一环形导轨的第一端连接，所述第二竖直伸缩杆的第二端与所述第二环形导轨的第一端连接；

所述第一环形导轨的第二端与所述透光片的第一端连接，所述第二环形导轨的第二端与所述透光片的第二端连接。

5.一种柱体绕流粒子图像测速的测量方法，其特征在于包括如下步骤，

步骤1)在铺沙前将权利要求1至4任一项所述的实验装置固定在水槽的底板；

步骤2)将激光系统竖直向下安装在旋转平台上；

步骤3)将相机水平安装在水槽的侧壁外侧；

步骤4)当激光系统的激光片光沿柱体的母线方向传播至反射光学系统的反射面，被反射后垂直于所述柱体的侧壁进入水体照亮测量垂面，成像光线经水槽的侧壁到达所述相机的感光面时，使用所述相机连续拍摄；

步骤5)经粒子图像测速计算后获得坑外测量垂面内的流场。

6.一种柱体绕流粒子图像测速的测量方法，其特征在于包括如下步骤，

步骤1)在铺沙前将权利要求1至4任一项所述的实验装置固定在水槽的底板；

步骤2)将导光系统设在柱体外侧水面；

步骤3)将相机竖直向下安装在旋转平台上，使镜头光轴与旋转平台的中心及反射光学系统的反射面中心竖直对齐；

步骤4)调整导光系统，使透光片半潜入水面；

步骤5)将激光系统竖直向下安装在水面上方，使激光片光经透光片竖直向下进入水体，照亮冲刷坑内的测量垂面；

步骤6)当测量垂面散射的成像光线通过柱体的侧壁到达反射光学系统的反射面，散射的成像光被反射后沿柱体母线方向进入相机感光面时，相机连续拍摄图片；

步骤7)经粒子图像测速计算后获得冲刷坑内测量垂面的二维流场。

7.根据权利要求6所述的柱体绕流粒子图像测速的测量方法，其特征在于包含如下步骤，

步骤8)将透光片竖直中轴所在的垂线定义为测线；

步骤9)在每个测线处，分别将透光片置于环状导轨上两个不同位置，使测线先后被两个不同的测量垂面覆盖；

步骤10)按照上述步骤1-7的处理过程，分别测得每个测量垂面的二维平均流场，然后提取出每个垂面内测线上的二维平均流速分布，按立体投影原理重构出三维平均流速分布；

步骤11)转动旋转平台和调整竖直伸缩杆在水平滑杆上的位置改变测线；

步骤12)重复上述步骤，得到柱体周围冲刷坑内的三维时均流场。