CN108195419B - 一种新型流体多场观测的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型流体多场观测的系统及方法，其中该系统包括纹影相机系统、红外相机、流场区，所述的纹影相机系统包括光源、直视棱镜、聚光透镜、两个刀口、两个抛物面镜、准直透镜及相机。该方法包括调节纹影相机系统，调节流场区，打开红外相机，获取流场的温度场分布图，打开光源、高速CCD相机，通过纹影相机系统和示踪粒子，获取到清晰直观的流场分布图，将测试得到的流场数据导入计算机，通过算法程序构建三维的流场仿真图像。本发明解决了传统流体观测方法中观测物理量过少、信息获取不够全面、图像表达不够清晰直观等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种从PIV技术与红外热成像技术的结合出发，针对传统的PIV技术进行改进，得到可同时对流体系统多场进行直接观测与记录的新型观测系统及方法。
背景技术
自实验流体力学出现以来，流场可视化一直都是流体力学领域的热门话题。近些年来，随着观测技术与计算机技术的逐渐成熟，纹影技术在流场观测领域应用逐渐广泛。自Topler首先采用纹影测量技术定量测量流场以来，纹影法逐渐成为风洞试验中常规测量方法。与阴影测量技术相比，纹影测量法具有灵敏度高、图像分辨率强、观测效果直观等优点。纹影技术的基本原理可被概述为：通过折射将不可视物体的相位变化转换为光波振幅的变化，导致光强分布发生变化，最终实现将无法直接观测的物理量(如流速)直接呈现为图形。
PIV(Particle Image Velocimetry，粒子图像测速)技术是七十年代末发展起来的一种流体力学测速方法，采用了激光作为观测手段，具有瞬态、多点、无接触式的特点。PIV技术在近几十年来得到了不断完善与发展，与传统单点测速技术相比，PIV技术最大的特点在于使同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息成为可能，从而提供了丰富的可视流场空间结构及流动特性。
红外成像基于一切物体都存在红外辐射的原理，通过接收红外线来呈现出肉眼可见的热分布图像。红外成像技术一开始源于军事需求(夜间侦察、反侦察等)，近年来，随着机器视觉技术的迅速发展及热成像技术精度的提高，红外热成像技术的研究与应用已逐渐扩大到现代工业、农业、生物、食品和医疗等领域，并呈现出将进一步广泛普及的趋势。
传统的流场观测只能得到一方面的数据，比如PIV技术只能得到流场的速度分布，纹影相机也只能得到密度的分布。这对于分析流体数据十分不便。因此需要一种技术使得能够一次性获取更加全面的流场信息。这样可以很大的提高工作效率。并且可以通过数据对比，提高信息的准确性。同时，在进行流体仿真实验时，可以避免为收集多组数据反复实验带来的误差。
发明内容
有鉴于此，有必要针对结果单一的问题，提供一种新型流体多场观测的方法，可以得到更加全面的流场数据，并且将得到的数据经过程序的处理，融合后得到三维、全面、具体的流场图像。
本发明的一方面提供一种新型流体多场观测的系统，包括纹影相机系统、红外相机、流场区，所述的纹影相机系统包括光源、直视棱镜、聚光透镜、两个刀口、两个抛物面镜、准直透镜及相机，所述的直视棱镜固定在所述光源后方产生的光路上，所述的聚光透镜固定在直视棱镜后方的底板上，其中的一个刀口固定在所述的聚光透镜聚焦的焦点处，其后固定其中的一个抛物面镜，另外一个抛物面镜接收前一个抛物面镜反射出来的光路，并将其反射至接收区域，另外一个刀口固定在后一个抛物面镜反射出来的光线的聚焦处，其后固定准直透镜，其后为相机；所述的红外相机可在底板上移动，所述的流场区为圆柱形玻璃管道，PIV粒子投放装置位于下部。
其中，光源固定在底板上，使用不透光黑箱包裹，并在其中一面装上柔光屏、源格栅、准直透镜。
其中，所述的光源包括白光氙气灯。
本发明的另一方面提供了一种新型流体多场观测的方法，包括如下步骤：
步骤1，调节如权利要求1所述的纹影相机系统，直至能在相机呈现测试区域具体的图像为止；
步骤2，调节流场区，保证测试区域内流体无掺入气体，同时涡流粒子能够均匀的散布在流体内；
步骤3，打开红外相机，获取流场的温度场分布图；
步骤4，打开光源、高速CCD相机，通过纹影相机系统和示踪粒子，获取到清晰直观的流场分布图；
步骤5，将测试得到的流场数据导入计算机，通过算法程序构建三维的流场仿真图像。
其中，所述的示踪粒子为按质量分数百分比取90％的聚苯乙烯，5％的原子灰，5％的荧光粉均匀混合后加热，熔合后通过造粒机造粒而成。
其中，所述的示踪粒子直径为0.5mm，密度为1.06g/cm3。
本发明在于整合多项流体观测手段，组建新型的多场流体观测方法，进而获取清晰直观的流场图像以及流体温度场的分布情况，最后通过分析观测数据，使用计算机构建立体多场流体模型。这一发明解决了传统流体观测方法中观测物理量过少、信息获取不够全面、图像表达不够清晰直观等问题。
附图说明
图1为本发明的纹影相机及流场可视化布置图；
图2为本发明的测试区域纵向布置图；
图3为本发明的光源黑箱内部结构图；
图4为本发明的核心算法程序图。
具体实施方式
以下结合附图，通过具体实施例对本申请做进一步阐述。
本申请提供了一种结合纹影技术、PIV观测技术、以及红外成像技术的新型观测方法。可视化装置的布置如图1所示，包括了纹影系统、红外相机、流场区三个区域。其中纹影相机1与红外相机2可在底座移动，以便于调整为最佳的成像位置从而获得最佳的成像效果。流场区包括圆柱形玻璃管道6，其下部的PIV粒子投放装置5。
光源4：使用白光氙气灯光源。具体的内部结构可参考图3，将其固定在组件底板上，使用不透光黑箱包裹，并在其中一面装上柔光屏、源格栅、准直透镜L0。此设计目的是得到均匀，清晰的光路。
直视棱镜D1：固定在光源后方产生的光路上，作为色散元件，使得到的纹影图像为彩色。
聚光透镜L1：固定在直视棱镜后方的底板上，且注意轴向需与光路平行。
刀口M1：固定在透镜L1聚焦的焦点处，作用是过滤掉部分干扰光路的光波。应注意刀口应当使用水平横缝。
抛物面镜L2：固定在刀口M1后方，通过反射光路，使其穿过工作区。
抛物面镜L3：接收从L2反射出来的光路，并将其反射至接收区域。
刀口M2：固定在抛物面镜L3反射出来光线的聚焦处。
准直透镜L4：固定在刀口M2后。目的是得到水平均匀的光路，以便相机接收。
纹影相机1：普通相机。
PIV的主要问题之一就是如何将粒子放入流场。这些颗粒密度应与流体的密度相同，以避免重力造成影响，同时这些粒子又不能改变流体流动的动力特性。因此，对PIV系统内流体及示踪粒子的操作：
测试流体：实验流体由水和食用盐调制而成，密度控制为1.06g/cm3。
示踪粒子：按质量分数百分比取90％的206聚苯乙烯，5％的原子灰，5％的荧光粉均匀混合。将混合物加热至到210℃。熔合后通过造粒机造粒，粒子直径控制为0.5mm，密度为1.06g/cm3。
粒子发生器：将示踪粒子均匀的散布在测试区域。
相机：CCD相机。
小型水泵：得到流动的测试液体。
水箱管道网络：在测试区域内，必须要求透光性好的玻璃管道，并且测试管道区域不可掺入气体。
为了给PIV粒子提供充分照明，需要特殊的光源。对于低到中等流速的流体，廉价的氙气闪光灯足够。
其中，纹影相机的调试，需要根据各配件的具体参数调节。调节时，需要注意配件的距离，直至能在相机呈现测试区域具体的图像为止。
在实验前需进行流场的调试与检查，保证各个流场装置能正常工作，保证测试区域内流体无掺入气体，同时涡流粒子能够均匀的散布在流体内。具体可参考附图2，离子发生器5将示踪粒子均匀的散布在测试区域。
首先打开测试流场各装置，让其正常试运行一段时间。保证测试段管道流场为清晰可测，且示踪粒子均匀散布。同时整体测试环境应设置为弱光环境，避免外部光源干扰。
打开红外相机，获取流场的温度场分布图。需要注意测试实验室应保证恒温，避免温度变化造成温度场分布发生变化。
对温度场测试要求：
红外镜头：采用二元衍射面的非球面透镜及具备温度补偿自适应功能的红外光学系统。
红外热探测器：采用微测辐射热计。
测试区要求：测试场地要求恒温，测试区内无干扰热源。
打开光源、高速相机2。通过纹影装置和示踪粒子，获取到清晰直观的流场分布图。同时，可通过调节水泵以获取不同流速下流场分布的变化。
将测试得到的流场数据导入计算机，通过算法程序可构建三维的流场仿真图像。图像中流场内每一个流体质点具有多项测试数据。从而方便了人们阅读流场资料。
数据的处理过程由图4展示。在对数据处理时，由于系统误差、采样错误、装置故障、流体物理性质的非实验因素改变等原因，所观测图像可能会出现部分不连续、区域异常分布等现象，降低整体实验观测结果的可靠性。为了检测观测图像是否符合流体力学规律(守恒定律)，在计算机通过数据接口对实验数据(图像)进行读取后，根据采样时间步长信息与流线的变化情况。计算程序对流体运动的质量流分布以及速度场分布进行计算，梯度采用一阶格式进行直接差分计算，分析流场质量分布的随体导数信息，并根据所观测流体的可压缩性以及形变率，结合Euler连续性方程进行比对，确保观测结果满足客观物理规律。
对数据拼合的部分处理时，主要采取以下措施。通过梯度判断与特征提取算法，得到流场的特征边界，对特征边界的结构进行分段分解，得到特征边界的组成元及结构。并对不同图像中的特征边界的结构，以及不同场的观测尺度比，对观测场进行坐标变换(仿射变换)，得到可直接进行特征元匹配的多流体场图像。根据计算的复杂度、实验设备的系统误差、所观测流体的估计雷诺数，设置合理的匹配容差，取纹影相机得到的流场为参考坐标，对所得到的所有流场图像进行坐标变换，从而得到边界匹配的多场观测图像。利用在同时间步长下得到的相邻时间节点(帧)内不同的流场数据，得到流场的温度流梯度、速度流梯度，并利用流体力学守恒方程，对温度流、质量流动进行判断，从而进一步校准流场的观测图像。
本实验装置还可进行常规的PIV观测实验(只需要关闭纹影系统装置和红外相机即可)。通过将本发明得到的图像与传统PIV技术的图像进行对比可以发现，本发明技术可以获得更加具体的图像以及包括温度场在内多种场的数据。通过传统的PIV观测到的数据亦可证明，本装置系统间不存在相互干扰。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (2)
1.一种新型流体多场观测的系统，其特征在于，包括纹影相机系统、红外相机、流场区，所述的纹影相机系统包括光源、直视棱镜、聚光透镜、两个刀口、两个抛物面镜、准直透镜及相机，所述的直视棱镜固定在所述光源后方产生的光路上，所述的聚光透镜固定在直视棱镜后方的底板上，其中的一个刀口固定在所述的聚光透镜聚焦的焦点处，其后固定其中的一个抛物面镜，另外一个抛物面镜接收前一个抛物面镜反射出来的光路，并将其反射至接收区域，另外一个刀口固定在后一个抛物面镜反射出来的光线的聚焦处，其后固定准直透镜，其后为相机；所述的红外相机可在底板上移动，所述的流场区为圆柱形玻璃管，PIV粒子投放装置位于下部所述的光源固定在底板上，使用不透光黑箱包裹，并在其中一面装上柔光屏、源格栅、准直透镜；所述的光源包括白光氙气灯。
2.一种新型流体多场观测的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，调节如权利要求1所述的纹影相机系统，直至能在相机呈现测试区域具体的图像为止；
步骤2，调节流场区，保证测试区域内流体无掺入气体，同时涡流粒子能够均匀的散布在流体内；
步骤3，打开红外相机，获取流场的温度场分布图；
步骤4，打开光源、高速CCD相机，通过纹影相机系统和示踪粒子，获取到清晰直观的流场分布图；
步骤5，将测试得到的流场数据导入计算机，通过算法程序构建三维的流场仿真图像；
其中，所述的示踪粒子为按质量分数百分比取90％的聚苯乙烯，5％的原子灰，5％的荧光粉均匀混合后加热，熔合后通过造粒机造粒而成；所述的示踪粒子直径为0.5mm，密度为1.06g/cm3。
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