CN110274749A - 基于2维piv的旋流器内部流场测量方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于2维PIV的旋流器内部流场测量方法和系统。本发明采取调焦法和位移法可实现“切片”测量旋流器内部流场，通过对不同Y坐标值的XZ截面和不同X坐标值的YZ截面的测量得出旋流器内部流场运动规律。位移法的测量精度和测量速度均优于调焦法，且位移法的测量范围始终不变。通过对采集图像处理最终得到矢量统计图，即平均流速矢量图。“切片法”可得到XZ截面与YZ截面交线上X、Y、Z方向的速度，还可进行二维图像的三维重构。

Description

基于2维PIV的旋流器内部流场测量方法和系统

技术领域

本发明涉及粒子图像测速技术，具体为一种基于2维PIV的旋流器内部流场测量方法。

背景技术

PIV(Particle Image Velocimetry)即粒子图像测速技术，是一种非介入式全场测速技术，克服了单点测量技术的缺点，可实现全流场的瞬态无干扰测量。PIV经过多年的发展，已成为一种成功适用于湍流定性和定量研究的工具，是现代流场测速的主流技术手段。PIV技术在圆管内部流场的测量中具有广泛应用：利用PIV技术，可以对圆管内的水流或圆管内置不同形状物体时的管道内水流及圆管中不同进流方式产生的螺旋流进行测量，分析横、纵截面内水流的流场结构和流动特点。

PIV技术发展虽然较为成熟，但是该PIV技术在具体应用时需要大量试验参数的适应性设置，目前并未应用于旋流器内部流场测量和数据处理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于2维PIV的旋流器内部流场测量方法，另一目的是提供基于2维PIV的旋流器内部流场测量系统，以弥补现有技术的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于2维PIV的旋流器内部流场测量系统，包括：图像记录系统、片光源照明系统、同步器、计算机工作站、坐标架及示踪粒子。

进一步的，所述图像记录系统包括相机，该相机内置图像传感器，采用数据处理软件实现对测量过程中的控制、标定、图像采集、处理、分析及导出。

进一步的，所述片光源照明系统采用激光器，包含电动光学衰减器，并通过入口优化模块使片光更均匀。

进一步的，在实验过程中，所述高速相机与激光器使用不同坐标架，使得激光可均匀照亮相机拍摄的平面。

进一步的，测量时，在流场中投放与水密度接近、与水流运动跟随性好、在水中分布均匀的示踪粒子。

旋流器是在局部圆管内安放具有一定扭转角的导叶，圆管和导叶均由有机玻璃制作。进行测量的区域为导叶后部，以圆管A-A截面的圆心为坐标系原点，圆管轴线为z轴，且以水流方向为正(竖直方向为y轴，以三维坐标系的右手定则确定x轴方向)。为全面准确地测量旋流器内部流场及后续进行二维平面的三维重构，采用“切片法”：在同一测量区域拍摄多个XZ和YZ截面。

一种基于2维PIV的旋流器内部流场测量方法，包括如下步骤：

(1)进行标定

以拍摄XZ截面为例(在拍摄YZ截面时只需调换激光与相机的位置)，标定的作用在于给定XZ截面坐标系和确定比例因子；在圆管最上方设有黑色圆点，标定时选取该点的圆心为原点，因该点的投影在每一XZ截面中线上，则拍摄图片处理得到的矢量图以中线为z轴，黑点的投影为原点，如此可便于后续取值；所有XZ截面的原点在同一条直线上；

(2)图像采集：利用调焦法采集图像时，对于距离相机较远的测量截面效果不佳，为进一步提高图像采集效率和质量，采用位移法；

(3)PIV图像处理

原始图片依次用计算像素最大最小值得到背景，图像运算去除背景，定义区域划分出截面所在区域，自适应性PIV得出初步矢量图，矢量区域得到截面所在区域的矢量图、UV散点图取值得到剔除小概率数据后的矢量图；

(4)数据处理：计算合速度：同一点处瞬时采集到的X、Z方向的速度平均值和Y、Z方向的速度平均值可合成为该点的合速度；二维图像的三维重构：通过对不同Y坐标值的XZ截面和不同X值的YZ截面采集图像，得到XZ截面或YZ截面上X、Y、Z方向的速度，这些截面的坐标与速度信息可构成一组三维网格，采用三次样条插值法对该组网格进行细化，从而得到未知网格点的速度信息，实现流场的三维重构，并与仿真实验结果进行比较。

进一步的，所述步骤(2)采用上、下分部位移法。

相较于现有技术，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明采取调焦法和位移法可实现“切片”测量旋流器内部流场，通过对不同Y坐标值的XZ截面和不同X值的YZ截面的测量得出旋流器内部流场运动规律。位移法的测量精度和测量速度均优于调焦法，且位移法的测量范围始终不变。通过对采集图像处理最终得到矢量统计图，即平均流速矢量图。“切片法”可得到XZ截面与YZ截面交线上X、Y、Z方向的速度，还可进行二维图像的三维重构。

本发明通过对图像数据获取和处理的优化过程最终得到了较为准确的旋流器内部流场测量数据。

附图说明

图1为旋流器结构示意图。

图2为旋流器内部流场测量方法和系统图。

图3为旋流器断面位置图和坐标系图。

图4为标定文件及投影图。

图5对焦刻度示意图。

图6为位移法采集图像。

图7为分部拍摄图。

图8为矢量图。

图9为截面交线示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员能更进一步了解本发明的特征及技术内容，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

实施例1：

一种基于2维PIV的旋流器内部流场测量系统，如图2所示，包括：图像记录系统、片光源照明系统、同步器、计算机工作站、坐标架及示踪粒子。

所述图像记录系统包括相机，该相机内置图像传感器，采用数据处理软件实现对测量过程中的控制、标定、图像采集、处理、分析及导出。

具体的，采用Speed Sense Lab3a10相机，分辨率1280像素×1280像素，帧速1850Hz。相机内置CMOS图像传感器，具有随机读取实时处理，图像采集和处理速度快等特点。相机镜头为Nikon 60mm f/2.8微距镜头。采用Dynamic Studio软件实现对测量的控制、标定、图像采集、处理、分析及导出。

所述片光源照明系统采用高能量双腔激光器Dual Power 100-50，包含电动光学衰减器，激光片光厚度1mm，通过入口优化模块使片光更均匀。

在实验过程中，高速相机与激光器使用不同坐标架。相机与管轴线距离约为60cm(相机恰好可拍到标定板和全管)，激光器与管轴线距离约为50cm，激光可均匀照亮相机拍摄的平面。给定坐标架一个坐标系,如图3(c)，使其上下移动(即y值)范围为+48mm～-48mm。

测量时，在流场中投放与水密度接近、与水流运动跟随性好、在水中分布均匀的示踪粒子。本文选用30um的空心玻璃微珠。

旋流器是在局部圆管内安放具有一定扭转角的导叶，圆管和导叶均由有机玻璃制作，如图1所示，其中，(a)主视图(b)左视图1-导叶2-圆管。圆管内径100mm，导叶长度350mm，导叶高度30mm，厚5mm，包角25°。

测量区域为导叶后部，如图3(a)所示。图3(c)中的坐标系A-A截面的圆心为原点，圆管轴线为z轴，且以水流方向为正。为全面准确地测量旋流器内部流场及后续进行二维平面的三维重构，采用“切片法”：在同一测量区域(A-B)拍摄多个XZ和YZ截面，如图3(b)(c)。水平与竖直“切片”间距均为8mm，水平切片由其Y坐标值分别编号为+48，+40…0,-8…-48(下文以××XZ表示编号为××的XZ截面)。

实施例2：

一种基于2维PIV的旋流器内部流场测量方法，包括如下步骤：

(1)标定

以拍摄XZ截面为例(在拍摄YZ截面时只需调换激光与相机的位置)，标定的作用在于给定XZ截面坐标系和确定比例因子(Scale Factor，即放大率)。在圆管最上方220mm处(A-A处)贴一直径为1mm的黑色圆点，标定时选取该点的圆心为原点如图4所示，(a)标定文件，(b)+48XZ上的投影，因该点的投影在每一XZ截面中线上，如图4(b)以+48 XZ为例，则拍摄图片处理得到的矢量图以中线为z轴，黑点的投影为原点，如此可便于后续取值。所有XZ截面的原点在同一条直线上。

(2)图像采集

标定后进行拍摄有两种方法：(1)移动坐标架使激光照射需要拍摄的平面，相机高度不变，通过调焦来拍摄被照亮平面的示踪粒子。(2)同时移动激光与相机，使相机始终对焦在激光照亮的平面。

首先利用调焦法：

制作最小刻度为0.5mm的刻度纸，相机距离拍摄平面的距离约为60cm(恰好可拍摄到全管，拍摄范围为130mm*130mm)，对+48 XZ平面进行标定时对焦得到刻度值为5.9。对其他XZ截面进行标定，得到对应的刻度值与比例因子(SF)，如图5所示，(a)相机对焦刻度线(b)对焦环刻度值与比例因子关系，在相机位置不变的情况下，相机对焦环的转动刻度与比例因子成线性关系。对各XZ截面标定后，即可在标定文件下采集不同工况时的图像。

在+48 XZ的标定文件下，调节对焦环刻度值为5.9，激光器所在坐标架的y值为+48，即可进行图像采集。拍摄其余XZ截面步骤相同。拍摄+48 XZ时，相机与截面最近，对焦环刻度最大，拍摄范围最小，随着激光器不断下降对焦环刻度变小，拍摄范围逐渐变大(+48XZ拍摄范围为132mm*132mm，-48 XZ拍摄范围增大为149mm*149mm)，即+48 XZ满足拍摄区域要求则其他截面一定满足拍摄区域要求。拍摄旋流器后空管区域，由于示踪粒子和水的“遮挡”，+48到-48 XZ的拍摄效果逐渐变差，粒子逐渐减少。由于对焦环刻度为估读，且对焦环转动的幅度为0.1mm，需要反复调焦才可对焦，对焦过程的效率和图像质量稳定性较差。

为进一步提高图像采集效率和质量，采用位移法：在移动激光位置时相机移动相同的位移，相机与拍摄平面的距离始终不变，不需要调节对焦环即可进行图像采集。以拍摄不同的XZ截面为例，首先标定+48 XZ，在+48 XZ标定文件下，调节对焦环刻度值为5.9，激光器和相机所在坐标架的y值为+48，即可进行图像采集。拍摄其余XZ截面步骤相同。采用位移法拍摄时，相机与XZ截面距离不变，从+48 XZ到-48 XZ拍摄范围始终不变为132mm*132mm，但拍摄效果逐渐变差：图6为旋流器后空管区域采集的图像，-16 XZ时拍摄到的粒子已经很少，-40XZ时几乎拍摄不到粒子。在二维图像的三维重构实验中，为保证重构结果的准确性，采集图像的尺寸应一致，故采用位移法。

为了取得-8 XZ～-48 XZ更好的拍摄效果，圆管可分上下两部分拍摄，如图7。采用位移法，拍摄圆管上半部分时，激光从侧面入射，相机自上向下拍摄，如图7(a)；拍摄圆管下半部分时，激光从侧面入射，相机自下向上拍摄，如图7(b)。

(3)PIV图像处理

原始图片依次用计算像素最大最小值(Image Min/Max)得到背景，图像运算(Image Arithmetic)去除背景，定义区域(Define Mask)划分出截面所在区域，自适应性PIV(Adaptive PIV)得出初步矢量图，矢量区域(Vector Masking)得到截面所在区域的矢量图、UV散点图取值(UV Scatter plot Range Validation)得到剔除小概率数据后的矢量图。

由于泵运转的不稳定性和紊流流速的脉动，瞬时(1ms内)采集的某一XZ截面数十张图像仍旧是“动态”的(播放采集到的图片可观察到粒子的运动)，处理得到的速度矢量图流速分布变化较大，在分析时速度值取自采集图像的平均速度矢量图。获取平均速度的方法有：(1)一般方法为选取原始图片用互相关或自适应互相关的方法处理，再选取速度矢量图用矢量统计(Vector Statistics)处理，即采用时间平均法获得平均速度值。(2)在几乎没有背景噪音时，同一组图片先采用图像平均(Image Mean)计算像素平均值，再用互相关(Cross-Correlation)处理。以+48 XZ的处理结果为例，图8((a)矢量统计图，(b)互相关矢量图)为方法(1)、(2)所得结果，图(b)与自适应互相关所得的矢量图差异较大，故选用方法(1)。一组原始照片处理得到UV散点图取值，再处理得到矢量统计图，根据其流速分布和截面平均流速，可剔除个别异常的原始图像，再用方法(1)得到该组图像的矢量统计图，即平均速度矢量图。

当采集图片中粒子较少时，如图6(b)、(c),可使用平均互相关(AverageCorrelation)叠加互相关运算来逐步增强互相关信号，处理足够数量的图片来得到较好的速度矢量图。

(4)数据处理

计算合速度：

圆管螺旋流是三维的流动现象，总流速可分解为轴向、周向和径向流速。用“切片法”来拍摄圆管不同位置的截面可得到X、Z方向的速度(拍摄XZ截面)或Y、Z方向的速度(拍摄YZ截面)，XZ截面与YZ截面的交线(如图9所示小圆点)上可得到X、Y、Z方向的速度。同一工况下旋流器内水流是“稳定”的，同一点处瞬时采集到的X、Z方向的速度平均值和Y、Z方向的速度平均值可合成为该点的合速度(同一工况下同一点处XZ与YZ截面的Z速度值相差为0.02～0.07m/s，Z速度值取XZ截面和YZ截面的平均值)。

二维图像的三维重构：

通过对不同Y坐标值的XZ截面和不同X值的YZ截面采集图像，得到XZ截面或YZ截面上X、Y、Z方向的速度，这些截面的坐标与速度信息可构成一组三维网格，采用三次样条插值法对该组网格进行细化，从而得到未知网格点的速度信息，实现流场的三维重构，并与仿真实验结果进行比较。

以上所述实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种基于2维PIV的旋流器内部流场测量系统，其特征在于，该测量系统包括：图像记录系统、片光源照明系统、同步器、计算机工作站、坐标架及示踪粒子。

2.如权利要求1所述的所述测量系统，其特征在于，图像记录系统包括相机，该相机内置图像传感器，采用数据处理软件实现对测量过程中的控制、标定、图像采集、处理、分析及导出。

3.如权利要求1所述的所述测量系统，其特征在于，所述片光源照明系统采用激光器，包含电动光学衰减器，并通过入口优化模块使片光更均匀。

4.如权利要求1所述的所述测量系统，其特征在于，在实验过程中，所述高速相机与激光器使用不同坐标架，使得激光可均匀照亮相机拍摄的平面。

5.一种基于2维PIV的旋流器内部流场测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)进行标定

以拍摄XZ截面为例(在拍摄YZ截面时只需调换激光与相机的位置)，标定的作用在于给定XZ截面坐标系和确定比例因子；在圆管最上方设有黑色圆点，标定时选取该点的圆心为原点，因该点的投影在每一XZ截面中线上，则拍摄图片处理得到的矢量图以中线为z轴，黑点的投影为原点，如此可便于后续取值；所有XZ截面的原点在同一条直线上；

(2)图像采集：利用调焦法采集图像时，对于距离相机较远的测量截面效果不佳，为进一步提高图像采集效率和质量，采用位移法；

(3)PIV图像处理

原始图片依次用计算像素最大最小值得到背景，图像运算去除背景，定义区域划分出截面所在区域，自适应性PIV得出初步矢量图，矢量区域得到截面所在区域的矢量图、UV散点图取值得到剔除小概率数据后的矢量图；

(4)数据处理：计算合速度：同一点处瞬时采集到的X、Z方向的速度平均值和Y、Z方向的速度平均值可合成为该点的合速度；二维图像的三维重构：通过对不同Y坐标值的XZ截面和不同X坐标值的YZ截面采集图像，得到XZ截面或YZ截面上X、Y、Z方向的速度，这些截面的坐标与速度信息可构成一组三维网格，采用三次样条插值法对该组网格进行细化，从而得到未知网格点的速度信息，实现流场的三维重构，并与仿真实验结果进行比较。

6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述步骤(2)采用上、下分部位移法。