CN113624446B - 一种非接触式分层流场测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非接触式分层流场测量方法，包括步骤：通过相机拍摄各界面上的示踪粒子的率定图像；对图像进行处理并根据粒子的亮度和相应界面位置的对应关系，制作率定曲线；根据粒子亮度区分各水层；在上游水中抛洒示踪粒子、获取图像并处理，根据上述亮度提取到图像IMG1在各水层中的图像；获取T+Δt时刻的图像，对图像进行处理，根据亮度提取到图像IMG2在各水层中的图像；将图像IMG1提取到的图像与图像IMG2提取到的图像进行计算得到该水层中其它示踪粒子的流速，遍历位移计算过程以得到其他水层中示踪粒子的流速。本发明实现了多个水层、多测点的流速同步测量，操作简单，测量高效，结果准确。

Description

一种非接触式分层流场测量方法
技术领域
本发明属于水利工程领域，尤其涉及一种非接触式分层流场测量方法。
背景技术
水流的流动速度是流场最为基本的物理量，对流动特征的认识很大程度上取决于速度场的获得，流速测量能够为流体动力学研究提供重要的实验数据。目前，流场速度测量主要分为接触式与非接触式两种方式。
接触式测量主要有机械法、皮托管法和多普勒法等方式，非接触式测量主要有粒子图像法。在实际应用中常用的仪器设备有：旋桨流速仪、皮托管、差压传感器、超声波/激光多普勒流速仪等，上述仪器均属于直接接触式测量仪器，在进行流速测量时，流速仪的传感器必须置于被测点位，对被测流场干扰较大，影响测量的准确度。
非接触式测量不影响流场，具有较高的测量精度。粒子图像测速仪（PIV）属于非接触式测量仪器，是利用示踪粒子反映流场表面流动速度的测量技术，PIV要求示踪粒子的流动跟随性好，粒子的密度尽量等于流体的密度，粒子的直径要在能够被成像系统拍摄到清晰图像的前提下尽可能的小。
目前使用粒子图像测速主要有两种：（1）使用直径厘米级的粒子，浮于水流表面，测量表面流场，测量范围较大，可达数十米；（2）使用激光面源，测量内部某个面的流场，适用于实验室透明水槽试验测量，测量范围在厘米级。两种方法的缺点是每次拍摄图像是某一个面的图像，一次只能测量水体一个面的流场，无法实现沿拍摄方向的多层流场测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非接触式分层流场测量方法，旨在解决现有非接触式流场测量方法中粒子图像测速所存在的无法实现沿拍摄方向的多层流场测量的问题。
本发明是这样实现的，一种非接触式分层流场测量方法，该方法用于测量水槽沿水深方向的流速分布，该方法具体包括以下步骤：
（1）沿水深方向将水槽的水流设定为若干水层，相邻水层之间的接触面为界面；将示踪粒子逐一放置在各界面上，在水槽上且在垂直水平方向上固定相机，通过该相机拍摄各界面上的示踪粒子的率定图像；
（2）对所得各图像进行灰度处理以及相同参数处理后，根据粒子的亮度和相应界面位置的对应关系，制作率定曲线；
（3）根据粒子亮度区分各水层；
（4）在上游水中抛洒示踪粒子，混合均匀，通过所述相机拍摄T时刻的图像IMG1，按照所述相同参数对该图像进行处理后，根据步骤（3）亮度提取到图像IMG1在各水层中的图像；
（5）通过所述相机拍摄T+Δt时刻的图像，按照所述相同参数对该图像进行处理后，根据步骤（3）亮度提取到图像IMG2在各水层中的图像；
（6）选定同一水层时，将图像IMG1提取到的图像与图像IMG2提取到的图像进行位移计算，得到该水层中其它示踪粒子的流速；遍历所述位移计算过程以得到其他水层中示踪粒子的流速。
优选地，在步骤（1）中，所述水槽底部为低明度的深灰色或黑色；所述示踪粒子为直径1cm的白色球体，其密度与水接近且可悬浮于水中。
优选地，在步骤（1）中，所述示踪粒子使用防水荧光材料涂装。
优选地，在步骤（2）、步骤（4）以及步骤（5）中，对图像进行处理包括针对粒子颜色和背景颜色分别提高和降低亮度处理。
优选地，在步骤（3）中，所述根据粒子亮度区分各水层具体为：
Figure 257328DEST_PATH_IMAGE001
。
优选地，在步骤（6）中，图像IMG1在第n水层中提取的图像为IMG1n，图像IMG2在第n 水层中提取的图像为IMG2n，计算IMG1n和IMG2n的位移，其中，对该第n水层的第i个示踪粒 子记为1i，在△t时刻内位移为
Figure 172501DEST_PATH_IMAGE002
，则该点流速
Figure 289362DEST_PATH_IMAGE003
为：
Figure 781523DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，
Figure 616624DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 16381DEST_PATH_IMAGE003
皆为矢量。
为克服现有技术的缺点和不足，本发明公开了一种非接触式分层流场测量方法，包括步骤：将示踪粒子逐一放置在各水层界面上，通过相机拍摄各界面上的示踪粒子的率定图像；对图像进行处理并根据粒子的亮度和相应界面位置的对应关系，制作率定曲线；根据粒子亮度区分各水层；在上游水中抛洒示踪粒子、获取图像并处理，根据上述亮度提取到图像IMG1在各水层中的图像；获取T+Δt时刻的图像，对图像进行处理，根据上述亮度提取到图像IMG2在各水层中的图像；将图像IMG1提取到的图像与图像IMG2提取到的图像进行计算得到该水层中其它示踪粒子的流速，遍历位移计算过程以得到其他水层中示踪粒子的流速。
相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果： 本发明实现了多个水层、多测点的流速同步测量，操作简单，测量高效，结果准确。
附图说明
图1是本发明测量方法中相机从水深方向上拍摄时的场景布设示意图；
图2是粒子图像明度随着粒子反射光穿越水层厚度逐渐变暗的示意图；
图3是本发明实施例中粒子处于不同位置时候的图像明度与水层厚度关系曲线；
图4是本发明实施例中T时刻图像IMG1；
图5是本发明实施例中T+△t时刻图像IMG2；
图6是本发明实施例中流速分析图像IMG1和IMG2的叠加示意图；
图7是本发明实施例中不同水层的流场计算结果。
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。
实施例一
本发明公开了一种非接触式分层流场测量方法，该方法用于测量水槽沿水深方向的流速分布，该方法具体包括以下步骤：
（1）沿水深方向将水槽的水流设定为若干水层，相邻水层之间的接触面为界面；将示踪粒子逐一放置在各界面上，在水槽上且在垂直水平方向上固定相机，通过该相机拍摄各界面上的示踪粒子的率定图像
率定粒子亮度与位置关系：在同样的条件下，物体反射光线距离相机越远，在图像中亮度越低；在水中传播距离越远，在图像中亮度越低。根据该位置关系，该步骤（1）具体为：稳定的光照条件下，将示踪粒子固定置于水中，固定CCD相机进行图像拍摄，并记录粒子位置；沿拍摄方向平移示踪粒子，改变其所处水层位置，继续图像拍摄，并记录相应的粒子位置；根据研究需要的分层多少，重复以上步骤。
在本实施例中，如图1所示，拟将水槽水流沿水深方向（拍摄方向）分为5层进行流速测量，故只需在测量断面进行4个相应水深处的粒子亮度测量。首先将粒子固定在水层1与水层2的界面处，拍摄得到率定图像1；再将粒子固定在水层2与水层3的界面出，拍摄得到率定图像2；……；将粒子固定在水层4与水层5的界面处，拍摄得到率定图像4。
此外，采用的示踪粒子为球形，其密度与水接近，可以悬浮于水中；示踪粒子的亮度高于背景，如图2所示，且颜色、亮度与背景之间的差异越大越好，便于在图像中识别示踪粒子；在拍摄可见的条件下，粒子直径越小，跟随性越好，测量精度也越高。水槽底部采用深灰色或黑色等低明度材料，示踪粒子采用直径1cm的白色球体，其密度与水接近，可以悬浮于水中。
（2）对所得各图像进行灰度处理以及相同参数处理后，根据粒子的亮度和相应界面位置的对应关系，制作率定曲线
对所有拍摄图像进行灰度处理，图像处理软件使用的所有参数都相同，率定图像1、2、3、4中粒子亮度分别记为亮度1、2、3、4；将亮度1、2、3、4和相应的水层厚度对应，制作率定曲线如图3所示。
（3）根据粒子亮度区分各水层
在步骤（3）中，所述根据粒子亮度区分各水层具体为：
Figure 990678DEST_PATH_IMAGE001
。
（4）在上游水中抛洒示踪粒子，混合均匀，通过所述相机拍摄T时刻的图像IMG1，按照所述相同参数对该图像进行处理后，根据步骤（3）亮度提取到图像IMG1在各水层中的图像
在步骤（4）中，在上游水中单位面积内示踪粒子抛洒数量，根据流场测量需求而定，粒子密度越大，测量所得流场越密，精度越高，但粒子密度太大有可能相互干扰；建议以平均两个粒子的中心距大于3倍粒子直径控制最大粒子密度。
在本实施例中，在上游水中抛洒足够多的示踪粒子，使其混合均匀，在T时刻拍下第一帧图像IMG1，按照相同参数处理图像后，根据步骤（4）按照亮度将水层1～5的图像提取出来，得到IMG11、IMG12、IMG13、IMG14、IMG15，如图4所示。
（5）通过所述相机拍摄T+Δt时刻的图像，按照所述相同参数对该图像进行处理后，根据步骤（3）亮度提取到图像IMG2在各水层中的图像
在步骤（5）中，T+△t时刻拍下第二帧图像IMG2，按照相同参数处理图像后，根据步骤（4）按照亮度将水层1～5的图像提取出来，得到IMG21、IMG22、IMG23、IMG24、IMG25，如图5所示。
（6）选定同一水层时，将图像IMG1提取到的图像与图像IMG2提取到的图像进行位移计算，得到该水层中其它示踪粒子的流速；遍历所述位移计算过程以得到其他水层中示踪粒子的流速。
在步骤（6）中，如图6所示，对相同水层两张拍摄图片进行位移计算。以水层1为例， 将IMG11和IMG21对比，对该层的第i个示踪粒子记为1i，在△t时刻内位移为
Figure 716057DEST_PATH_IMAGE002
，则该点流 速
Figure 772875DEST_PATH_IMAGE003
的计算公式为
Figure 914006DEST_PATH_IMAGE004
。
Figure 5459DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 370582DEST_PATH_IMAGE003
皆为矢量，流速的方向与位移方向相同。同理，可以得 到水层1其它示踪粒子的流速。
重复以上步骤，计算得到其它水层流速。实施例二
测量水槽横断面方向流速分布（沿拍摄方向），相机置于水槽侧面拍摄。近相机侧水槽边壁为透明材质，为增强粒子与拍摄背景的对比度，远相机侧水槽边壁为深灰色或黑色等低明度材料。
后续步骤同实施例一。
实施例三
为增强粒子图像对比度，示踪粒子使用防水荧光材料涂装。
实施例四
为增强粒子图像对比度，示踪粒子采用颜色明显区别于背景的防水颜料涂装，后期图形处理过程中再针对粒子颜色和背景颜色分别提高和降低亮度。例如，粒子采用红色，背景采用绿色，利用图像处理软件将拍摄图片处理为灰度图时提高红色明度，降低绿色明度。
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 (6)

1.一种非接触式分层流场测量方法，该方法用于测量水槽沿水深方向的流速分布，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
（1）沿水深方向将水槽的水流设定为若干水层，相邻水层之间的接触面为界面；将示踪粒子逐一放置在各界面上，在水槽上且在垂直水平方向上固定相机，通过该相机拍摄各界面上的示踪粒子的率定图像；
（2）对所得各图像进行灰度处理以及相同参数处理后，根据粒子的亮度和相应界面位置的对应关系，制作率定曲线；
（3）根据粒子亮度区分各水层；
（4）在上游水中抛洒示踪粒子，混合均匀，通过所述相机拍摄T时刻的图像IMG1，按照所述相同参数对图像IMG1进行处理后，根据步骤（3）亮度提取到图像IMG1在各水层中的图像；
（5）通过所述相机拍摄T+Δt时刻的图像，按照所述相同参数对T+Δt时刻的图像进行处理后，根据步骤（3）亮度提取到图像IMG2在各水层中的图像；
（6）选定同一水层时，将图像IMG1提取到的图像与图像IMG2提取到的图像进行位移计算，得到所述同一水层中其它示踪粒子的流速；遍历所述位移计算过程以得到其他水层中示踪粒子的流速。
2.如权利要求1所述的非接触式分层流场测量方法，其特征在于，在步骤（1）中，所述水槽底部为低明度的深灰色或黑色；所述示踪粒子为直径1cm的白色球体，其密度与水接近且可悬浮于水中。
3.如权利要求2所述的非接触式分层流场测量方法，其特征在于，在步骤（1）中，所述示踪粒子使用防水荧光材料涂装。
4.如权利要求3所述的非接触式分层流场测量方法，其特征在于，在步骤（2）、步骤（4）以及步骤（5）中，对图像进行处理包括针对粒子颜色和背景颜色分别提高和降低亮度处理。
5.如权利要求1所述的非接触式分层流场测量方法，其特征在于，在步骤（3）中，所述根据粒子亮度区分各水层具体为：
Figure 434546DEST_PATH_IMAGE001
。
6.如权利要求1所述的非接触式分层流场测量方法，其特征在于，在步骤（6）中，图像 IMG1在第n水层中提取的图像为IMG1n，图像IMG2在第n水层中提取的图像为IMG2n，计算 IMG1n和IMG2n的位移，其中，对该第n水层的第i个示踪粒子记为1i，在△t时刻内位移为
Figure 490227DEST_PATH_IMAGE002
， 则所述第i个示踪粒子的流速
Figure 323185DEST_PATH_IMAGE003
为：
Figure 122514DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，
Figure 715738DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 224211DEST_PATH_IMAGE003
皆为矢量。
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