CN108896125B - 一种测量两个相互作用的重力流体积的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量两个相互作用的重力流体积的方法，可应用于近海工程流体力学实验领域。本发明针对现有羽流凸起体积测量方法的不足，提出一种测量两个相互作用的重力流体积的方法。该方法包括确定组合双羽流系统的深度场并区分这两个羽流，计算淡水源附近凸起的体积。本发明方法给出了凸起体积的计算方法，对实验室羽流实验凸起体积增长率的计算意义重大，对实验室羽流实验和真实羽流的理解都有很重要的意义。本发明方法经验证无论是在深度测量还是在凸起体积计算中的平均误差都在可以接受的范围内，可操作性明显，可靠性强。

Description

一种测量两个相互作用的重力流体积的方法

技术领域

本发明涉及近海工程流体力学实验领域，具体涉及一种测量两个相互作用的重力流体积的方法。

背景技术

河口羽流(River Plume)是河流淡水流出河口后在近岸区域形成的盐度较低的水体，并发育特有的近岸流场。它一般会在河口附近形成一个向海突出的凸出体(bulge),在其下游(相对于开尔文波的传播方向)形成沿岸流。河口羽流对近海的流场，营养盐、污染物及泥沙自陆向海的输运等都起着关键的作用，因而也成为近几十年来的研究热点。

河口生态系统是海洋生态系统的重要组成部分，其生产力高，资源丰富，为水生生物提供了生存的场所，并且深刻地影响着近岸区域的人类活动。比如在凸起的体积较大的情况下，不论是污染物还是营养物质都会在凸起累积，对凸起这一区域的生态环境产生剧烈的影响。同时也会导致下游沿岸流的流量减少，输送到下游的污染物质也就变少了，对下游人类活动会带来有益的影响。再比如在干旱的年份，由于淡水流量的下降带来近海羽流的减少，那么以河口作为生长场所的生物种类会明显下降，也会改变当地鱼类的生态环境，进一步改变其组成与结构。

许多先进的技术已被应用于测量羽流中的速度场和浓度场。最近的方法结合了粒子图像测速(PIV)和平面激光诱导荧光法(PLIF)同时测量二维速度和浓度场。但是，PIV和PLIF都不是理想的测量凸起增长率的方法，因为它们都只能解决羽流的某个单一平面而并非整个羽流。扫描LIF方法可以提供依赖于时间和空间的羽流浓度场。这种三维浓度场可用于测凸起体积增长率，但同时也引入了显著的实验复杂性。所以这些方法都有其局限性的存在，鲜有一种可以研究计算淡水源附近凸起的体积增长率的方法。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种测量两个相互作用的重力流体积的方法。该技术通常可用于区分具有多种来源的实验中的水团，并可用于模拟两个相邻沿海羽流的动力学。成功用于确定组合双羽流系统的深度场并区分这两个羽流。并可以计算出淡水源附近凸起的体积增长以及沿岸流中远离源的浮力流体的输送速率。可以提高对羽流结构和其动力学分析的可靠性、准确性和科学性。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种测量两个相互作用的重力流体积的方法，该方法包括如下步骤：

(1)在环形旋转槽中装满盐水，完全钢化后引入两种不同颜色流体，使用彩色摄像机分别测量两种不同颜色流体的R、G和B色带的光强度；

(2)基于步骤(1)彩色摄像机测量得到的R，G和B值，通过对每个像素的R，G和B值进行平均来计算强度，并通过每个像素的R，G和B值与色彩比率的关系公式计算色彩比率。将由此得到的强度-厚度关系和色彩比率-厚度关系结合，以开发出二维校准图，然后，通过对二维校准图定义的参数空间中内插来确定厚度场；

(3)根据步骤(2)获得的厚度场，计算漂浮层中的淡水体积；

(4)假设混合区域上游和下游淡水流的百分比随着色彩比例线性变化，基于步骤(2)获得的厚度场结合百分比分别计算混合区域上游和下游淡水流的有效厚度；

(5)假设凸起具有线性沿岸增长率并相应地调整图像访问的视野，基于步骤(2)得到的厚度场及步骤(4)得到的混合区域的上游和下游淡水流各自的有效深度计算上游和下游的凸起体积。

进一步的，所述步骤(1)具体如下：

在环形旋转槽中装满盐水，完全钢化后通过不同的扩散器分别引入两种不同颜色流体，彩色摄像机与环形旋转槽共旋转，光源布置在环形旋转槽的下方，光源照亮彩色摄像机需要的视场范围，使用彩色摄像机分别测量两种不同颜色流体的R、G和B色带的光强度。

进一步的，所述步骤(2)具体如下：

为了计算双层旋转重力流的厚度场，基于测量的强度-厚度关系和色彩比例-厚度关系进行二维校准；

I.强度-厚度关系

其中I(h,c)是通过厚度h染料浓度为c的流体的光的传播强度，I₀(h,0)是通过相同厚度h的未染色水层的透射强度；a是衰减系数；I(h₁,c；h₂,0)是通过厚度为h₁染料浓度为c的染色水层及厚度为h₂未染色水层的光的传播强度，其中h₁和h₂分别为染色水层和未染色水层的厚度，I₀(H,0)是通过相同厚度H的未染色水的透射强度，H＝h₁+h₂；b是当染色水层厚度趋于无穷时I/I₀的渐近值；

Ⅱ.色彩比率-厚度关系

在双染料实验中，有必要区分不同颜色水团，强度-厚度关系取决于染料的颜色，因此，校准使用色比来定义每个点处的相对颜色含量，引入色彩比率：

其中R_n，G_n和B_n分别是归一化到背景R₀，G₀，B₀值的R，G，B值；

在实验开始前求得每个像素的透射强度I₀，对每次实验后得到的照片计算每个像素的传播强度I，然后计算标准化强度I/I_0，再根据每次实验后得到的照片计算每个像素的色彩比率；将得到的强度-厚度关系和色彩比率-厚度关系相结合，将这两个关系中的厚度数据内插到网格上，强度为横坐标，色彩比率为纵坐标，厚度为颜色指数，以开发出二维校准图，然后，再对二维校准图定义的参数空间中进行内插得到每个像素位置的厚度场。

进一步的，所述步骤(3)具体如下：

通过二维校准生成的厚度场，用于计算漂浮层中的淡水体积，光学厚度法测量的有效层厚度h_e定义为：

其中C和C₀分别是羽流和源流体中的染料浓度，z是羽流的深度，C_pj是羽流中垂直平均的染料浓度，在双羽流系统中，由于h_e代表着每个像素位置处的淡水量，用其计算淡水体积V的公式为：

其中e是每个像素的面积，xpixels表示有效层厚度对应的x轴像素位置，ypixels表示有效层厚度对应的y轴像素位置。

进一步的，所述步骤(4)具体如下：

两种不同颜色染料分别代表上游和下游淡水流，为了评估混合区域中每种流体的有效深度，假设它们的百分比随着色彩比例线性变化，定义色比小于t1的是源自上游，色比大于t2的是源自上游的水，以及色比夹在这两个值之间的来自下游的水的百分比会随着色比的增大线性增加，具体如下：

根据它们的百分比，根据h_downstream＝h_e·h％_downstream及h_upstream＝h_e·(1-h％_downstream)分别计算它们的有效深度。

进一步的，所述步骤(5)具体如下：

假设凸起具有线性沿岸增长率并相应地调整图像访问的视野，根据步骤(2)已经得到的厚度场及步骤(4)已经得到的混合区域的上游和下游淡水流各自的有效深度，对凸起区域占据的每一个像素位置的淡水量，即每一个像素对应的有效深度进行面积求和，即根据公式5可以分别计算上游和下游的凸起体积。

进一步的，所述彩色摄像机采用松下PV-GS320 3-CCD彩色摄像机。

本发明的有益效果是：

本发明的方法简单可靠，操作方便，效率高。

本发明通过结合透射光强度的降低和上染色层的RGB色比，使用改进光学厚度方法来计算两个相互作用的水体的深度场。因此可以应用于双羽流实验以测量两个羽流各自的深度场。

本发明的方法根据不同羽流所占的百分比会随着色彩比例线性变化评估混合区域中每种流体的有效深度，对评估混合区域中每种流体的有效深度有重要的意义。

本发明方法给出了凸起体积的计算方法，对实验室羽流实验凸起体积增长率的计算意义重大，对实验室实验和真实羽流的理解都有很重要的意义。

本发明方法经验证无论是在深度测量还是在凸起体积计算中的平均误差都在可以接受的范围内，可操作性明显，可靠性强。

附图说明

图1a为本发明环形旋转槽的俯视图；

图1b为本发明环形旋转槽的侧视图；

图2为本发明实施例中强度-厚度关系(a)和色彩比率-深度(b)的关系图；

图3为本发明的双羽流实验过程图；

图4为本发明用四种非稀释染料和三种稀释染料进行圆柱体层厚度的验证测试得到的关系图；

图5为本发明验证实验得到的两个羽流原始RGB图像图；

图6为本发明验证实验得到的羽流离开视场前羽流的体积与淡水输入的关系图；

图中：环形旋转槽1、彩色摄像机2、扩散器3、光源4。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明做进一步的详细说明。

本发明实施例提供一种测量两个相互作用的重力流体积的方法，具体包括以下步骤：

(1)实验前准备

实验在外径92cm和内径22cm的环形旋转槽1(如图1a所示)中进行。在每次实验之前，在水箱中装满盐水并通过旋转60分钟实现钢化，将1毫升纯食物染料(深蓝色和樱桃红色)用去离子(DI)水稀释至2000ml。并通过5cm×1cm的扩散器3将两种流体引入到环境盐水自由表面下方的槽中。两个相隔18.7厘米的扩散器3由6.25cm³的填充海绵来提供均匀的流出速度分布，使用松下PV-GS3203-CCD彩色摄像机2获取图像(如图1b所示)，该摄像机位于灯板上方155厘米处并与水箱共旋转(如图1b所示)，光源4布置在环形旋转槽的下方，光源照亮需要的视场范围，使用3-CCD彩色摄像机2分别测量两种流体的R，G和B色带的光强度。

(2)计算双层旋转重力流的厚度场

为了计算双层旋转重力流的厚度场，基于测量的强度-厚度关系和颜色比率-厚度关系进行二维校准。该厚度校准本实施例提供五种不同的红色和蓝色染料比：纯红、纯蓝、1：1、1：3和3：1。

I.强度-厚度关系

其中I(h,c)是通过厚度h染料浓度为c的流体的光的传播强度，I₀(h,0)是通过相同厚度h的未染色水层的透射强度；a是衰减系数；I(h₁,c；h₂,0)是通过厚度为h₁染料浓度为c的染色水层及厚度为h₂未染色水层的光的传播强度，其中h₁和h₂分别为染色水层和未染色水层的厚度，I₀(H,0)是通过相同厚度H的未染色水的透射强度，H＝h₁+h₂；b是当染色水层厚度趋于无穷时I/I₀的渐近值。

这种关系使我们能够将通过双层系统传输的光强度标准化为具有未染色水层厚度的单层系统，使罐底和盖的吸收光以及不同介质之间各种界面的反射光的影响最小化。

Ⅱ.色彩比率-厚度关系

在双染料实验中，有必要区分蓝色和红色水团。强度-厚度关系取决于染料的颜色。因此，校准使用色比来定义每个点处的相对颜色含量。引入色彩比率：

其中Rn，Gn和Bn分别是归一化到背景R₀，G₀，B₀值的R，G，B值。

在实验开始前求得每个像素的透射强度I₀，对每次实验后得到的照片计算每个像素的传播强度I，然后计算标准化强度I/I₀，再根据每次实验后得到的照片计算每个像素的色彩比率；将得到的强度-厚度关系和色彩比率-厚度关系相结合(如图2所示)，将这两个关系中的厚度数据内插到91×91网格上，强度为横坐标，色彩比率为纵坐标，厚度为颜色指数，以开发出二维校准图，然后，再使用matlab命令‘interp2’对二维校准图定义的参数空间中进行内插得到每个像素位置的厚度场。(3)计算漂浮层中的淡水体积

通过二维校准生成的深度场，用于计算漂浮层中的淡水体积，光学厚度法测量的有效层厚度h_e定义为：

其中C和C₀分别是羽流和源流体中的染料浓度，z是羽流的深度，C_pj是羽流中垂直平均的染料浓度。在双羽流系统中，由于h_e代表每个像素位置处的淡水量，用，其计算淡水体积V的公式为：

其中，每个像素的面积e是0.0112cm2，xpixels表示有效层厚度对应的x轴像素位置，ypixels表示有效层厚度对应的y轴像素位置。

(4)双羽实验中有效深度的计算

蓝色和红色染料分别代表上游和下游淡水流(如图3所示)，为了评估混合区域中每种流体的有效深度，假设它们的百分比随着色彩比例线性变化，定义色比小于0.3的是源自上游，色比大于0.5的是源自上游的水，以及色比夹在这两个值之间的来自下游的水的百分比会随着色比的增大线性增加，具体如下：

根据它们的百分比，根据h_downstream＝h_e·h％_downstream及h_upstream＝h_e·(1-h％_downstream)分别计算它们的有效深度。

(5)凸起体积的计算

为了计算凸起体积，需要识别由凸起占据的不包括沿海流视场的区域。假设凸起具有线性沿岸增长率并相应地调整图像访问的视野，根据步骤(2)已经得到的厚度场及步骤(4)已经得到的混合区域的上游和下游淡水流各自的有效深度，对凸起区域占据的每一个像素位置的淡水量，即每一个像素对应的有效深度进行面积求和，即根据公式5可以分别计算上游和下游的凸起体积。

(6)验证测试以确定技术的准确性

通过两次验证测试以确定技术的准确性。第一次验证测试是为了测试光学厚度技术的准确性，将由光学厚度技术确定的厚度与已知层厚度进行比较，以验证测量是否准确。步骤为：首先填充已知体积的漂浮染色水以在盐水上层形成已知厚度的层。在这个测试中分别使用1和0.5ml/l染料浓度(以下分别称为非稀释和稀释)(如图4所示)。通过圆柱体中心1cm²的圆柱体RGB图像计算归一化的强度和色彩比率，然后，通过由二维校准图定义的参数空间中内插来确定深度，并在1cm²面积上取平均值。结果表明，计算的厚度与已知厚度显示出良好的一致性，稀释染料的平均误差小于10％，非稀释染料的平均误差小于20％，这符合Cenedese和Dalziel(1999)的标准。第二次验证测试是测试双羽流实验中这种技术能够精确地测量复杂流动的体积的能力(如图5所示)，基于测量的深度场根据公式4计算总体积并将其与已知的入流量进行比较。测量到的羽流的体积与淡水输入的一致性证实该方法准确地计算了整个羽流体积(如图6所示)。前25秒的均方根误差为6.41cm³，小于总体积的4％。

Claims (7)

1.一种测量两个相互作用的重力流体积的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)在环形旋转槽中装满盐水，完全钢化后引入两种不同颜色流体，使用彩色摄像机分别测量两种不同颜色流体的R、G和B色带的光强度；

(2)基于步骤(1)彩色摄像机测量得到的R，G和B值，通过对每个像素的R，G和B值进行平均来计算强度，并通过每个像素的R，G和B值与色彩比率的关系公式计算色彩比率；将由此得到的强度-厚度关系和色彩比率-厚度关系结合，以开发出二维校准图，然后，通过对二维校准图定义的参数空间中内插来确定厚度场；

(3)根据步骤(2)获得的厚度场，计算漂浮层中的淡水体积；

(4)假设混合区域上游和下游淡水流的百分比随着色彩比例线性变化，基于步骤(2)获得的厚度场结合百分比分别计算混合区域上游和下游淡水流的有效厚度；

(5)假设凸起具有线性沿岸增长率并相应地调整图像访问的视野，基于步骤(2)得到的厚度场及步骤(4)得到的混合区域的上游和下游淡水流各自的有效深度计算上游和下游的凸起体积。

2.根据权利要求1所述的一种测量两个相互作用的重力流体积的方法，其特征在于，所述步骤(1)具体如下：

在环形旋转槽中装满盐水，完全钢化后通过不同的扩散器分别引入两种不同颜色流体，彩色摄像机与环形旋转槽共旋转，光源布置在环形旋转槽的下方，光源照亮彩色摄像机需要的视场范围，使用彩色摄像机分别测量两种不同颜色流体的R、G和B色带的光强度。

3.根据权利要求1或2所述的一种测量两个相互作用的重力流体积的方法，其特征在于，所述步骤(2)具体如下：

为了计算双层旋转重力流的厚度场，基于测量的强度-厚度关系和色彩比率-厚度关系进行二维校准；

I.强度-厚度关系

其中I(h,c)是通过厚度h染料浓度为c的流体的光的传播强度，I₀(h,0)是通过相同厚度h的未染色水层的透射强度；a是衰减系数；I(h₁,c；h₂,0)是通过厚度为h₁染料浓度为c的染色水层及厚度为h₂未染色水层的光的传播强度，其中h₁和h₂分别为染色水层和未染色水层的厚度，I₀(H,0)是通过相同厚度H的未染色水的透射强度，H＝h₁+h₂；b是当染色水层厚度趋于无穷时I/I₀的渐近值；

Ⅱ.色彩比率-厚度关系

在双染料实验中，有必要区分不同颜色水团，强度-厚度关系取决于染料的颜色，因此，校准使用色比来定义每个点处的相对颜色含量，引入色彩比率：

其中R_n，G_n和B_n分别是归一化到背景R₀，G₀，B₀值的R，G，B值；

在实验开始前求得每个像素的透射强度I₀，对每次实验后得到的照片计算每个像素的传播强度I，然后计算标准化强度I/I₀，再根据每次实验后得到的照片计算每个像素的色彩比率；将得到的强度-厚度关系和色彩比率-厚度关系相结合，将这两个关系中的厚度数据内插到网格上，强度为横坐标，色彩比率为纵坐标，厚度为颜色指数，以开发出二维校准图，然后，再对二维校准图定义的参数空间进行内插得到每个像素位置的厚度场。

4.根据权利要求3所述的一种测量两个相互作用的重力流体积的方法，其特征在于，所述步骤(3)具体如下：

通过二维校准生成的厚度场，用于计算漂浮层中的淡水体积，光学厚度法测量的有效层厚度h_e定义为：

其中C和C₀分别是羽流和源流体中的染料浓度，z是羽流的深度，Cpj是羽流中垂直平均的染料浓度，h_real指代每个像素位置处的实际层厚度；在双羽流系统中，用h_e计算淡水体积V的公式为：

其中ε是每个像素的面积，xpixels表示有效层厚度对应的x轴像素位置，ypixels表示有效层厚度对应的y轴像素位置。

5.根据权利要求4所述的一种测量两个相互作用的重力流体积的方法，其特征在于，所述步骤(4)具体如下：

两种不同颜色染料分别代表上游和下游淡水流，为了评估混合区域中每种流体的有效深度，假设它们的百分比随着色彩比例线性变化，定义色比小于t1的是源自上游，色比大于t2的是源自下游的水，以及色比夹在这两个值之间的来自下游的水的百分比会随着色比的增大线性增加，具体如下：

根据它们的百分比，根据h_downstream＝h_e×h％_downstream及h_upstream＝h_e×(1-h％_downstream)分别计算它们的有效深度，h_downstream表示来自下游的水的有效深度，h_upstream表示来自上游的水的有效深度。

6.根据权利要求5所述的一种测量两个相互作用的重力流体积的方法，其特征在于，所述步骤(5)具体如下：

假设凸起具有线性沿岸增长率并相应地调整图像访问的视野，根据步骤(2)已经得到的厚度场及步骤(4)已经得到的混合区域的上游和下游淡水流各自的有效深度，对凸起区域占据的每一个像素位置的淡水量，即每一个像素对应的有效深度进行面积求和，即根据公式5可以分别计算上游和下游的凸起体积。

7.根据权利要求1所述的一种测量两个相互作用的重力流体积的方法，其特征在于，所述彩色摄像机采用松下PV-GS320 3-CCD彩色摄像机。

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