CN112231869B - 一种迪恩涡运动信息的测量方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种迪恩涡运动信息的测量方法和装置,主要用于测量泵系统中U型圆管的迪恩涡。测量方法包括:搭建迪恩涡测量系统,主要包括U型圆管、套设于U型圆管进口区的无盖正方形盒和套设于U型圆管的无盖六边形盒;将碘化钠溶液作为流动介质,注满无盖正方形盒和无盖六边形盒;采用PIV依次拍摄测量区域关键截面的粒子图像;基于改进的PIV互相关算法,基于多级网格迭代法和网格变形算法建立多网格查问区域变形技术,并在PIVlab上实现其程序化;在此基础上对粒子图像进行平均处理,得到主流区平均速度分布及迪恩测量区涡流分布。本发明专利不仅可以实现迪恩涡的高精度测量,还可以增强PIV互相关算法的空间分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及水力机械试验测量领域,特别涉及一种迪恩涡运动信息的方法和装置。
背景技术
弯管广泛地存在于工业应用的多个领域中,在水利、化工、石油、动力等涉及管路输送流体的工程领域中。
U型圆管是泵管路系统常见的典型配件,工程中因结构需要改变流体的流动方向或出于强化传热、传质过程,常采用U型圆管管道。U型圆管的应用有U形管换热器和各种泵管网系统等。
由于U型圆管曲率效应的作用,在一定条件下U型圆管内会产生迪恩(Dean)涡,使管内速度场、压力场发生变化。迪恩涡的产生使流体运动过程中阻力产生的能量损耗增大;另一方面,迪恩涡能在避免湍流的情况下提高流体的传质和传热性能,因此,迪恩涡运动是一种利害兼备的流体运动,一直受到国内外研究者的关注。
迪恩涡既可以引起较高的流动阻力,也能提高流体的传热、传质性能。因此,掌握迪恩涡的运动信息,对于U型圆管管道的减阻设计、流体的强化传热、传质有一定的理论指导意义。
而目前对迪恩涡的研究主要采用数值方法,且对于泵系统中存在的迪恩涡的运动信息测量鲜见报道。
发明内容
本发明提供了一种迪恩涡运动信息的测量方法和装置,主要针对泵系统中U型圆管迪恩涡的测量,利用透明有机玻璃搭建的迪恩涡测量泵系统,通过无扰、非接触的PIV测量技术得到迪恩涡的在极短时间内的运动信息,实现迪恩涡的可视化,并基于改进的PIV互相关算法和多网格查问区域变形技术对粒子图像进行平均处理,实现迪恩涡运动信息的高精度测量。
一方面,本发明实施例提供了一种迪恩涡运动信息的测量方法,包括:
搭建迪恩涡运动信息测量系统;迪恩涡运动信息测量系统包括迪恩涡运动信息测量装置;迪恩涡运动信息测量装置包括U型圆管、套设于U型圆管进口区的无盖正方形盒和套设于U型圆管的无盖六边形盒;
将碘化钠溶液作为流动介质,并将测量系统中管路、无盖正方形盒以及无盖六边形盒注满碘化钠溶液;
采用PIV设备依次拍摄迪恩涡运动信息测量装置多个截面的粒子图像;多个截面包括主流区截面和迪恩涡测量区的截面;
基于高斯金字塔改进PIV互相关算法,基于多级网格迭代法和网格变形算法建立多网格查问区域变形技术,采用双线性插值法对粒子图像变形的速度场和亚像素点灰度进行插值;
在开源软件PIVlab上实现改进的PIV互相关算法和多网格查问区域变形技术的程序化;
基于改进的PIV互相关算法和多网格查问区域变形技术对粒子图像进行处理,得到主流区的平均速度分布和迪恩涡测量区的迪恩涡流分布。
可选的,U型圆管、无盖正方形盒和无盖六边形盒均采用透明有机玻璃制成;碘化钠溶液的密度与透明有机玻璃的密度相同。
可选的,采用PIV设备依次拍摄迪恩涡运动信息测量装置多个截面的粒子图像,包括:
采用PIV设备依次拍摄主流区第一截面,迪恩涡测量区域α=0°对应的第二截面、α=45°对应的第三截面、α=90°对应的第四截面、α=135°对应的第五截面、α=180°对应的第六截面),分别拍摄1000对粒子图像。
另一方面,本发明实施例提供了一种迪恩涡运动信息的测量装置,包括:U型圆管、套设于U型圆管进口区的无盖正方形盒和套设于U型圆管迪恩涡区的无盖六边形盒;无盖正方形盒用于测量主流进口区;无盖六边形盒用于测量迪恩涡产生区。
可选的,U型圆管、无盖正方形盒和无盖六边形盒均采用透明有机玻璃制成。
可选的,无盖正方形盒的边长为U型圆管内径的3~4倍;
无盖正方形盒的边长与U型圆管的圆心之间的距离为U型圆管内壁曲率半径的1.0~1.5倍;
无盖六边形盒的第一侧壁与第二侧壁之间的夹角、第一侧壁与第三侧壁之间的夹角均为45°;
无盖六边形盒的第四侧壁与第一侧壁之间的长度为内壁曲率半径的1.2~1.8倍;
第二侧壁与第三侧壁之间的长度为内壁曲率半径的3.0~4.0倍;
第一侧壁至U型圆管的圆心的距离为内壁曲率半径的0.25~0.5倍;
无盖正方形盒的厚度、无盖六边形盒与U型圆管的壁厚相同。
本发明的有益效果在于:
1.本发明提供的一种迪恩涡运动信息的测量装置,主要用于测量泵系统中U型圆管的迪恩涡,通过高透光性及特殊结构设计,选取合适的迪恩涡流测量区域,可获得高质量的粒子图像。
2.本发明提供的一种迪恩涡运动信息的测量方法,基于高斯金字塔改进PIV互相关算法,基于多级网格迭代法和网格变形算法建立多网格查问区域变形技术,大大增强了PIV互相关算法的可测速度范围和空间分辨率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明提供的一种迪恩涡运动信息的测量装置的立体结构示意图;
图2为本发明提供的一种迪恩涡运动信息的测量装置的俯视图;
图3为本发明提供的一种迪恩涡运动信息的测量方法的流程示意图;
图4为本发明提供的一种迪恩涡运动信息测量系统的示意图。
图5为本发明提供的一种迪恩涡运动信息的测量方法中CCD相机及截面位置示意图;
图6为本发明提供的一种第一截面上主流区平均速度分布;
图7为本发明提供的一种第二截面上迪恩涡流分布;
图8为本发明提供的一种第三截面上迪恩涡流分布;
图9为本发明提供的一种第四截面上迪恩涡流分布;
图10为本发明提供的一种第五截面上迪恩涡流分布;
图11为本发明提供的一种第六截面上迪恩涡流分布;
附图标记说明:
1-无盖正方形盒;2-无盖六边形盒;3-U型圆管;4-稳压水箱;5-泵;6-水箱6;7-阀门;8-流量计;9-第一截面;10-第二截面;11-第三截面;12-第四截面;13-第五截面;14-第六截面;15-CCD相机;16-激光片光面。
具体实施方式
下面将结合附图,对本发明施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的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,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的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。
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明,但本发明的保护范围并不限于此。
实施例:
如图1和图2所示,本实施例提供了一种迪恩涡运动信息的测量装置,主要用于测量泵系统中U型圆管中的迪恩涡,该装置包括:U型圆管3、套设于U型圆管进口区的无盖正方形盒1和套设于U型圆管迪恩涡区的无盖六边形盒2;无盖正方形盒1用于测量主流进口区;无盖六边形盒2用于测量迪恩涡产生区。
可选的,无盖正方形盒1、无盖六边形盒2和U型圆管3均采用透明有机玻璃加工而成。
可选的,无盖正方形盒的边长为U型圆管内径的3~4倍;
无盖正方形盒的边长与U型圆管的圆心之间的距离为U型圆管内壁曲率半径的1.0~1.5倍;
无盖六边形盒的第一侧壁与第二侧壁之间的夹角、第一侧壁与第三侧壁之间的夹角均为45°;
无盖六边形盒的第四侧壁与第一侧壁之间的长度为内壁曲率半径的1.2~1.8倍;
第二侧壁与第三侧壁之间的长度为内壁曲率半径的3.0~4.0倍;
第一侧壁至U型圆管的圆心的距离为内壁曲率半径的0.25~0.5倍;
无盖正方形盒的厚度、无盖六边形盒与U型圆管的壁厚相同。
具体的,U型圆管3内径D为16mm,内壁曲率半径R为110mm,壁厚为2mm。
具体的,进口主流区测量的无盖正方形盒1的边长L1为60mm,厚度为2mm,与U型圆管3的圆心距离L2为125mm。
具体的,迪恩涡测量的无盖六边形盒2的两夹角β1和β2均为45°,长度L4为175mm,宽度W1为385mm,左侧壁与U型圆管3的圆心距离L3为40mm,迪恩涡测量的无盖六边形盒2的厚度为2mm。
下面介绍本发明一种迪恩涡运动信息的测量方法的具体实施例,图3是本发明实施例提供的一种迪恩涡运动信息的测量方法的流程示意图,本说明书提供了如实施例或流程图的方法操作步骤,但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式,不代表唯一的执行顺序。在实际中的系统或服务器产品执行时,可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境)。具体的如图3所示,该方法包括:
S301:搭建迪恩涡运动信息测量系统;
本发明实施例中,测量系统如图4所示,包括迪恩涡运动信息测量装置,参考上述装置实施例,还包括稳压水箱4、泵5、水箱6、阀门7和流量计8。
S302:将碘化钠溶液作为流动介质,将测量系统中管路、无盖正方形盒以及无盖六边形盒注满碘化钠溶液。
具体的,碘化钠溶液与迪恩涡运动信息测量装置的透明有机玻璃密度一致。
S303:采用PIV设备依次拍摄迪恩涡运动信息测量装置多个截面的粒子图像。多个截面包括主流区截面和迪恩涡测量区的截面。
具体的,调节阀门使圆管的雷诺数Re为预设数值后,如图5所示,采用PIV设备依次拍摄主流区第一截面9,迪恩涡测量区域α=0°对应的第二截面10、α=45°对应的第三截面11、α=90°对应的第四截面12、α=135°对应的第五截面13、α=180°对应的第六截面14,分别拍摄1000对粒子图像;其中,预设数值为228,用于拍摄的CCD相机15的分辨率为1.6k×1.2k像素。
S304:基于高斯金字塔改进PIV互相关算法,基于多级网格迭代法和网格变形算法建立多网格查问区域变形技术,采用双线性插值法对图像变形的速度场和亚像素点灰度进行插值。
具体的,粗网格是24×24像素,细网格是8×8像素。
S305:在开源软件PIVlab上实现改进的PIV互相关算法和多网格查问区域变形技术的程序化。
S306:基于改进的PIV互相关算法和多网格查问区域变形技术对多个截面的粒子图像进行处理,得到主流区的平均速度分布和迪恩涡测量区的迪恩涡流分布。
具体的,基于改进的PIV互相关算法和多网格查问区域变形技术对第一截面9、第二截面10、第三截面11、第四截面12、第五截面13和第六截面14的粒子图像进行平均处理,如图6所示,得到如图6所示的第一截面9的主流区平均速度分布,以及如图7-图11所示的其他五个截面10,11,12,13,14上的迪恩涡流分布。
综上,本发明提供的一种迪恩涡运动信息的测量装置,主要用于测量泵系统中U型圆管的迪恩涡,通过高透光性及特殊结构设计,选取合适的迪恩涡流测量区域,可获得高质量的粒子图像;此外,本发明提供的一种迪恩涡运动信息的测量方法,基于高斯金字塔改进PIV互相关算法,基于多级网格迭代法和网格变形算法建立多网格查问区域变形技术,大大增强了PIV互相关算法的可测速度范围和空间分辨率。
以上仅为本发明的较佳实施例,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、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种迪恩涡运动信息的测量方法,其特征在于,包括:
搭建迪恩涡运动信息测量系统;所述迪恩涡运动信息测量系统包括迪恩涡运动信息测量装置;所述迪恩涡运动信息测量装置包括U型圆管、套设于所述U型圆管进口区的无盖正方形盒和套设于所述U型圆管的无盖六边形盒;
将碘化钠溶液作为流动介质,并将所述测量系统中管路、所述无盖正方形盒以及所述无盖六边形盒注满所述碘化钠溶液;
采用PIV设备依次拍摄迪恩涡运动信息测量装置多个截面的粒子图像;多个截面包括主流区截面和迪恩涡测量区的截面;
基于高斯金字塔改进PIV互相关算法,基于多级网格迭代法和网格变形算法建立多网格查问区域变形技术,采用双线性插值法对所述粒子图像变形的速度场和亚像素点灰度进行插值;
在开源软件PIVlab上实现改进的PIV互相关算法和多网格查问区域变形技术的程序化;
基于所述改进的PIV互相关算法和所述多网格查问区域变形技术对所述粒子图像进行处理,得到主流区的平均速度分布和迪恩涡测量区的迪恩涡流分布。
2.根据权利要求1所述的测量方法,其特征在于,所述U型圆管、所述无盖正方形盒和所述无盖六边形盒均采用透明有机玻璃制成;
所述碘化钠溶液的密度与所述透明有机玻璃的密度相同。
3.根据权利要求1所述的测量方法,其特征在于,所述采用PIV设备依次拍摄迪恩涡运动信息测量装置多个截面的粒子图像,包括:
采用PIV设备依次拍摄主流区第一截面,迪恩涡测量区域α=0°对应的第二截面、α=45°对应的第三截面、α=90°对应的第四截面、α=135°对应的第五截面、α=180°对应的第六截面,分别拍摄1000对粒子图像。
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