CN110634364A - 一种基于粒子图像测速技术的简易速度场测量系统 - Google Patents

一种基于粒子图像测速技术的简易速度场测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于流体力学教学领域，并具体公开了一种基于粒子图像测速技术的简易速度场测量系统。包括示踪粒子、连续激光器、拍摄设备和后处理设备，其中：示踪粒子工作时分散在待测流场中，用于将待测流场的运动近似为粒子运动；连续激光器设置在待测流场的外部，通过发射的激光片光在待测流场内形成测量平面；拍摄设备设置在待测流场的外部，并且与测量平面平行，通过录像记录示踪粒子的运动情况；后处理设备用于处理拍摄设备获得的图像，通过示踪粒子的运动情况获得待测流场的目标速度场。本发明具有结构简单、成本低、安全性高的优势，并且应用范围较广、可移植性强，能够保证学生亲身参与其中并独立进行实验。

Description

一种基于粒子图像测速技术的简易速度场测量系统
技术领域
本发明属于流体力学教学领域，更具体地，涉及一种基于粒子图像测速技术的简易速度场测量系统。
背景技术
流体力学作为许多工科类专业必修的一门专业基础课程，其理论应用行业广泛，实践性强。而实验教学是该课程教学的重要环节，对帮助理论知识的理解和对理论知识的验证具有重要作用，对于分析和解决工程实际问题也有重要的作用。
流体测量是实验流体力学重要组成部分，目前在流体测量领域中发展迅速且应用广泛的技术就是粒子图像测速法(PIV)。PIV技术综合了激光技术、数字信号处理技术、图像处理技术等多种新技术，是研究涡流、湍流等复杂流动结构的有力工具，可获得传统测试技术无法观察到的一些流场的瞬态结构。
目前PIV技术采用的测量系统主要是由跟随设备、成像设备、图像处理设备构成，因其具有结构复杂、价格昂贵的缺点，在高校科研的应用范围较窄，更不适于教学领域。同时高能量的脉冲激光器具有危险性，还为教学过程带来安全隐患，因此为满足高等院校人才培养的要求，应当积极探索和改革流体力学实验教学。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于粒子图像测速技术的简易速度场测量系统，其中通过对关键组件如连续激光器、拍摄设备的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可有效解决速度场测量系统结构复杂、成本高的问题，因而尤其适用于实验教学的应用场合。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种基于粒子图像测速技术的简易速度场测量系统，该简易速度场测量系统包括示踪粒子、连续激光器、拍摄设备和后处理设备，其中：
所述示踪粒子工作时分散在待测流场中，用于将所述待测流场的运动近似为粒子运动；
所述连续激光器设置在所述待测流场的外部，通过发射的激光片光在所述待测流场内形成测量平面；
所述拍摄设备设置在所述待测流场的外部，并且与所述测量平面平行，通过录像记录所述示踪粒子的运动情况；
所述后处理设备用于处理所述拍摄设备获得的图像，根据所述示踪粒子的运动情况获得所述待测流场的目标速度场。
作为进一步优选地，所述简易速度场测量系统还包括带通滤光片，所述带通滤光片设置在所述拍摄设备与测量平面之间，用于过滤自然光。
作为进一步优选地，所述拍摄设备的视频帧率优选为10fps～100fps。
作为进一步优选的，所述示踪粒子的数量优选为每个问询窗口10个～15个。
作为进一步优选地，当所述待测流场为气体流场时，所述示踪粒子优选为平均直径1μm～10μm的雾化油滴。
作为进一步优选地，当所述待测流场为液体流场时，所述示踪粒子优选为平均直径10μm～100μm的空心玻璃颗粒。
作为进一步优选地，所述拍摄设备为具有录像功能的手机或相机。
按照本发明的另一方面，提出了一种利用上述基于粒子图像测速技术的简易速度场测量系统进行教学实验的方法，该方法包括如下步骤：
(a)将所述示踪粒子分散在所述待测流场中；
(b)开启所述连续激光器，利用该连续激光器发射的激光片光在所述待测流场内形成测量平面；
(c)保证所述拍摄设备与所述测量平面平行，利用该拍摄设备进行录像；
(d)通过所述后处理设备处理所述拍摄设备获取的图像，以此获得目标速度场。
作为进一步优选地，所述教学实验包括自然对流、强制对流、淹没射流、圆柱绕流、平板边界层流动或板间对流的教学实验。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明利用连续激光器长时间持续照射待测容器中的流场，并通过拍摄设备记录示踪粒子的运动情况，最终利用后处理设备获得待测流体的目标速度场，具有结构简单、成本低、安全性高的优势，并且应用范围较广、可移植性强，能够保证学生亲身参与其中并独立进行实验；
2.同时，示踪粒子的运动图像是从视频中提取的单帧图像，因此视频帧率即两张相邻图像的时间间隔直接影响到实验结果的准确性，本发明通过对拍摄设备的视频帧率进行优化，能够保证在有限的条件下获得较为准确的测量结果；
3.此外，本发明提供的教学实验方法能够进行自然对流、强制对流、淹没射流、圆柱绕流、平板边界层流动或板间对流的教学实验，能够基本满足流体力学教学的需求，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是按照本发明优选实施例构建的基于粒子图像测速技术的简易速度场测量系统的示意图；
图2是将本发明提供的简易速度场测量系统应用到板间自然对流教学实验中的示意图；
图3是进行板间自然对流教学实验时测量平面的单帧图像；
图4是进行板间自然对流教学实验时测量平面的瞬时速度场。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-示踪粒子，2-待测流体，3-容器，4-测量平面，5-连续激光器，6-带通滤光片，7-拍摄设备，8-后处理软件，9-翅片热管散热器，10-热电制冷片，11-隔热板，12-第一铝板，13-第二铝板，14-加热板，15-隔热板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提出了一种基于粒子图像测速技术的简易速度场测量系统，该简易速度场测量系统包括示踪粒子1、连续激光器5、带通滤光片6、拍摄设备7和后处理设备8，其中：
示踪粒子1工作时分散在待测流场中，用于将待测流场的运动近似为粒子运动，其中待测流场可以为充满容器3的待测流体2，也可以为空气流场；
连续激光器5采用能量低、价格优的连续激光器，优选采用532nm连续固体连续激光器，用于照亮示踪粒子1，连续激光器5设置在待测容器3的外部，通过发射的激光片光在待测容器3内形成测量平面4；
拍摄设备7为具有录像功能的手机或相机，其设置在待测容器3的外部，并且与测量平面4平行，通过录像记录示踪粒子1的运动情况，带通滤光片6设置在拍摄设备7与测量平面4之间，用于过滤自然光，仅拍摄被532nm激光照亮的粒子图像；
后处理设备8用于处理拍摄设备7获得的图像，采用开源编程软件如MATLAB软件调用其内部互相关函数，通过示踪粒子1的运动情况获得待测流场的目标速度场。
进一步，拍摄设备7的视频帧率优选为10fps～100fps，即两张相邻图像的时间间隔为10ms～100ms，避免时间间隔过短造成对焦困难，使得示踪粒子图像不清晰，同时还能够避免时间间隔过长造成追踪的不是同一组示踪粒子，受拍摄设备的限制，本发明不宜测量速度快、高温高压环境中的流场，可用于自然对流、强制对流、淹没射流等实验教学过程。
进一步，示踪粒子1的数量优选为每个问询窗口10个～15个，从而能够较为准确的计算目标速度场。
进一步，当待测流场为气体流场，尤其是工质为空气时，示踪粒子优选为平均直径1μm～10μm的雾化油滴(如硅树脂油或橄榄油)，其直径小、纯度高并且价格低廉，同时还能够准确地还原空气的流动；
当待测流场为液体流场，尤其是工质为水时，示踪粒子优选为平均直径10μm～100μm的空心玻璃颗粒，其具有良好的跟随性，能够准确地还原水的流动。
按照本发明的另一方面，提出了一种利用上述基于粒子图像测速技术的简易速度场测量系统进行教学实验的方法，该方法包括如下步骤：
(a)将示踪粒子1分散在待测流场中；
(b)开启连续激光器5，利用该连续激光器5发射的激光片光在待测容器3内形成测量平面4；
(c)设置拍摄设备7的参数保证其取景画面能够清晰显示测量平面4的全部流场信息，同时保证拍摄设备7与测量平面4平行，利用该拍摄设备7进行录像；
(d)通过后处理设备8处理拍摄设备7获取的图像，将视频转变为单帧图像，再运行互相关计算代码，以此获得目标速度场。
进一步，教学实验包括自然对流、强制对流、淹没射流、圆柱绕流、平板边界层流动或板间对流等一系列经典流动的教学实验。其中进行强制对流实验时，需在待测流场的两端分别加热、制冷并达到给定温差，同时录像期间容器两端的温差需要始终保持稳定。进行淹没射流实验时，可在容器3的侧边设计小孔，并在注射器内装待测流体以及示踪粒子，注射器针头连接软管，软管伸入小孔，通过注射泵控制射流流速，同时保证激光片光与软管所在的平面重合。
下面对利用本发明提供的基于粒子图像测速技术的简易速度场测量系统进行板间自然对流速度场教学实验的过程作具体描述。
如图2所示，容器3为150×150×100mm3的有机玻璃方腔，待测液体2为蒸馏水，容器3内的蒸馏水即为待测流场，示踪粒子1为直径10μm的空心玻璃珠，实验过程中在待测容器3的顶部从上到下依次放置翅片热管散热器9、热电制冷片10、隔热板11和第一铝板12，同时在待测容器3的底部从上到下依次放置第二铝板13、加热板14和隔热板15，待待测容器3的上下温差稳定为6K后开始测量。
(a)将蒸馏水注满待测容器3，再将空心玻璃珠均匀地分散在蒸馏水中，待测容器3的上下板分别进行制冷和加热，上下板温差达到6K时为稳定工况；
(b)连续激光器是532nm连续固体连续激光器，输出功率为1.28W，线宽为1mm，线性棱镜为30°，开启连续激光器5，在待测容器3中形成测量平面4；
(c)调整单反相机的取景画面，使其能清晰显示测量平面的全部流场信息，其相关参数为：光圈f/7.8，ISO800，取景画面满足要求时，容器3的上下板停止加热、制冷，开始录像，时间为6s，其相关参数为：快门速度1/100s，分辨率1920×1080px，帧速率30帧/秒；
(d)将录像视频从单反相机的存储卡导入到工作站中，通过MATLAB软件将视频转变为单帧图像，再运行互相关计算代码，最后得到板间自然对流工况下瞬时速度场。
其中，该实施例提供的板间自然对流教学实验中测量平面的单帧图像如图3所示，最后计算得到的瞬时速度场如图4所示。
本发明实施例提供的板间自然对流教学实验中计算得到的速度场运动视频与空心玻璃珠的运动视频基本一致，说明本发明的实验结果准确有效，通过将板间自然对流过程可视化，使学生对流体间热量与动量传递这一问题有了直观认识。除上述实施例外，该发明还可应用在任意规则几何体内自然对流、强制对流、淹没射流的实验教学中。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于粒子图像测速技术的简易速度场测量系统，其特征在于，该简易速度场测量系统包括示踪粒子(1)、连续激光器(5)、拍摄设备(7)和后处理设备(8)，其中：
所述示踪粒子(1)工作时分散在待测流场中，用于将所述待测流场的运动近似为粒子运动；
所述连续激光器(5)设置在所述待测流场的外部，通过发射的激光片光在所述待测流场内形成测量平面(4)；
所述拍摄设备(7)设置在所述待测流场的外部，并且与所述测量平面(4)平行，通过录像记录所述示踪粒子(1)的运动情况；
所述后处理设备(8)用于处理所述拍摄设备(7)获得的图像，根据所述示踪粒子(1)的运动情况获得所述待测流场的目标速度场。
2.如权利要求1所述的基于粒子图像测速技术的简易速度场测量系统，其特征在于，所述简易速度场测量系统还包括带通滤光片(6)，所述带通滤光片(6)设置在所述拍摄设备(7)与测量平面(4)之间，用于过滤自然光。
3.如权利要求1或2所述的基于粒子图像测速技术的简易速度场测量系统，其特征在于，所述拍摄设备(7)的视频帧率优选为10fps～100fps。
4.如权利要求1所述的基于粒子图像测速技术的简易速度场测量系统，其特征在于，所述示踪粒子(1)的数量优选为每个问询窗口10个～15个。
5.如权利要求1所述的基于粒子图像测速技术的简易速度场测量系统，其特征在于，当所述待测流场为气体流场时，所述示踪粒子(1)优选为平均直径1μm～10μm的雾化油滴。
6.如权利要求1所述的基于粒子图像测速技术的简易速度场测量系统，其特征在于，当所述待测流场为液体流场时，所述示踪粒子(1)优选为平均直径10μm～100μm的空心玻璃颗粒。
7.如权利要求1所述的基于粒子图像测速技术的简易速度场测量系统，其特征在于，所述拍摄设备(7)为具有录像功能的手机或相机。
8.一种利用如权利要求1～7任一项所述的基于粒子图像测速技术的简易速度场测量系统进行教学实验的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(a)将所述示踪粒子(1)分散在所述待测流场中；
(b)开启所述连续激光器(5)，利用该连续激光器(5)发射的激光片光在所述待测流场内形成测量平面(4)；
(c)保证所述拍摄设备(7)与所述测量平面(4)平行，利用该拍摄设备(7)进行录像；
(d)通过所述后处理设备(8)处理所述拍摄设备(7)获取的图像，以此获得所述待测流场的目标速度场。
9.如权利要求8所述的利用基于粒子图像测速技术的简易速度场测量系统进行教学实验的方法，其特征在于，所述教学实验包括自然对流、强制对流、淹没射流、圆柱绕流、平板边界层流动或板间对流的教学实验。
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