CN113640181A - 在风生流试验中通过plif测量系统测量污染物扩散的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在风生流试验中通过PLIF测量系统测量污染物扩散的方法，根据溶液浓度最大值进行标准溶液配比，按照n个浓度梯度进行溶液配比，将容器置于模型中的某个所述激光点位置，往容器中添加模型中的水，容器内的水面高度和模型水位线保持一致，此时浓度值为0，通过相机记录此时的光斑亮度；将标准浓度溶液装入容器中，放置于模型中任意一个激光点位置，通过相机记录此时的光斑亮度；绘制σ和μ的关系曲线，拟合获得标定曲线，根据标定曲线，可将任意测量点激光诱导发出的荧光灰度值还原成浓度值，插值生成浓度分布的等值线。本发明具备使用便捷，操作方便、实用性强等特点。

Description

在风生流试验中通过PLIF测量系统测量污染物扩散的方法

技术领域

本发明属于风生流试验技术领域，尤其涉及一种在风生流试验中通过PLIF测量系统测量污染物扩散的方法。

背景技术

风是引起湖泊水体混合的重要动力因素，风作用水面时，剧烈地扰动水面，其切应力将形成水面漂流或风生流，在持续作用下由于岸边界和底边界的制约，水体还将形成垂向环流和水平环流。在垂向上，风作用下的切应力在水体表层和上层形成了与风向一致的风生流，将造成迎风面岸边的水位抬高，水面出现逆向坡降；而在水体下层还将形成逆风向的水流，称为补偿流，同上层顺风向的水流获得水量平衡。因此，在风的作用下，湖泊内的风生流引起的环流系统复杂。垂向上，浅水湖泊中存在单一环流，而深水湖泊可能出现方向相反的双环流或多个环流；平面上，因地形变化情况不同可能会出现多个水平环流。

风生流流速量级低，观测十分困难。太湖风生流水流强度较弱，在无风情况下流速基本为零，风生流流速最大约为10~20cm/s，换算至模型流速仅有2~6cm/s。此外，测量仪器不能影响风场和流场。通常采用人工采样化验分析会干扰风场或流场，而且大范围模型工作量太大，不太现实；采用离子浓度传感器测量可实现批量测量，但试验条件苛刻，要求每个传感器实验前进行率定，而且测量工况下流速、水温、探头入水深度等与率定条件必须完全一致，此外测量精度受较多干扰离子影响，只适合实验室内少量样本测量。

现代光学仪器在水力学研究中的应用愈来愈广泛，由于光学仪器具有非接触式的特点，避免了传统测量设备所造成的本身对流场的扰动，精确性大大提高，光学仪器的连续场的同步测量，也是传统点式仪器所不具备的。

激光诱导荧光（LIF）技术是一种在气体、液体和固体测量中有着广泛应用的光学技术。根据应用需要，用激光面光源可以进行二维定量成像测量，（PLIF - Planar Laserinduced Fluorescence）为平面激光诱导荧光。LIF技术还可以和其它光学技术如PIV、瑞利散射、或发射光谱来共同使用测得更多的信息。

PLIF技术是在PIV技术的延伸，可在速度场测量的同时测量水体中浓度场、温度场的分布规律，具有非接触式同步测量的特点，同步获得的矢量和标量场数据为后续的深入分析和处理提供相关度较高的基础数据。PLIF技术主要用于研究环境水力学及水动力学的基础理论和工程应用，尤其是环境水力学机理性问题研究，如密度分层流、羽流等问题，传统水力学中的涡流场等非稳定流场的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在风生流试验中通过PLIF测量系统测量污染物扩散的方法，旨在解决现有流速低、水深浅的大型浅水湖泊物理模型试验中污染物扩散测量不精确的问题。

本发明是这样实现的，一种在风生流试验中通过PLIF测量系统测量污染物扩散的方法，该PLIF测量系统设置在测试场中，包括连续激光器、三维振镜、CCD相机以及浓度场测量模块；所述测试场包括实验室大厅、位于该实验室大厅内模拟整个河流和湖泊的物理模型、位于该河流入湖口处的射流装置以及容器；所述连续激光器的水平出射激光经过三维振镜折射并在模型中的特定测量点位置形成激光点，CCD相机拍照采集该激光诱导下发出的绿色荧光光斑；

该方法包括以下步骤：

（1）荧光溶液从模型的支流通过射流装置流入湖泊，在河流入湖口处的溶液浓度为最大值σmax；

（2）根据入湖溶液浓度最大值σmax进行标准溶液配比；按照n个浓度梯度进行溶液配比，0、1/n σmax、2/n σmax、3/n σmax、……、σmax；

（3）将容器置于模型中的某个所述激光点位置，往容器中添加模型中的水，容器内的水面高度和模型水位线保持一致；此时浓度值为0，通过CCD相机记录此时的光斑亮度μ0；

（4）将事实标准浓度溶液装入容器中，放置于模型中任意一个所述激光点位置，通过CCD相机记录此时的光斑亮度μ1、μ2、μ3、…….、μn；

（5）浓度场测量模块对浓度信息与光斑亮度信息进行处理：绘制σ和μ的关系曲线，拟合获得标定曲线，根据标定曲线，可将任意测量点的灰度值还原成浓度值，然后再插值生成浓度分布的等值线。

优选地，由浓度场测量模块对满足要求的数据进行处理，其中，通过调节相机镜头的光圈参数和焦距参数，以及调节振镜扫描时间和停留时间参数，确保相机拍摄的光斑不出现过曝的现象来满足数据处理要求。

优选地，所述容器为高透有机玻璃，且容器底部和模型底部具有同样的纹理。

优选地，所述荧光物质在激光的激发下呈现绿色荧光。

本发明克服现有技术的不足，提供一种在风生流试验中通过PLIF测量系统测量污染物扩散的方法。

激光诱导荧光（LIF）技术是利用某些荧光物质在吸收某一频率的光后，能够激发出另一频率的荧光的原理来进行温度场和浓度场的测量。其产生机理如下：每种物质分子都有其电子能级，当吸收特征频率的光子后，可由基态跃迁到不同能级的激发态，而处于激发态的分子式不稳定的，通过辐射跃迁和非辐射跃迁等分子内的去活化过程释放多余的能量而返回基态，在辐射跃迁的去活化过程中，会发射出另一个能量较小的光子，小的能量意味着波长较长，这种由荧光物质发出波长较长的光就称为荧光。荧光的强度取决于很多因素，主要包括诱导激光能量的强度、染剂浓度及体积，当然也受染剂种类特性影响。放射强度的一般方程是

（１）

当Ｉ _c达到激发强度时，Ｃ即为染剂的浓度，φ是效率系数，ε是吸收系数，Ｖ是体积。

PLIF浓度测量系统是基于激光诱导荧光摄像技术的高精度高分辨率的浓度场测量系统，具备很强的实用价值。系统采用先进的图像处理算法，测量水流的浓度场运动情况，可以方便的实现浓度场的非接触测量。由于低浓度时荧光强度和深度成线性关系。因此，可以通过检测荧光强度达到测量浓度的目的。平面激光诱导荧光技术利用激光照射研究区域从而获得平面二维信息。由于LIF技术具有的多点同步测量，可获得浓度、温度随时间变化的时间和空间分布情况，同时又属于非接触式测量方式，试验数据可靠性较高，因而迅速在流体力学领域得到了广泛于的应用。

完整的PLIF测量系统包括一个光源（通常是激光光源），用来生成片光的透镜组，荧光物质，聚光光路和一个探测器。光源发出的光激发荧光物质，然后得到荧光，荧光信息被探测器所捕捉到，由此得到相关的荧光物质的各项参数信息。用作光源的典型激光器是脉冲式激光器，这种激光器相比较连续型激光器可以提供更高的峰值功率，同时，较短的脉冲时间对获取良好的时间分辨率很有作用。激光器所产生的光源通过一个透镜组形成一束片激光，最后用来激发荧光物质。荧光信息通常是使用CCD相机或者CMOS相机来采集获得。时序控制器用来同步激光光源以及所用的相机。通常，荧光物质可选用荧光素钠、罗丹明B、罗丹明6G等，荧光物质对一定波长的光比较敏感，具备较高的吸收效率，同时辐射出一定光谱的辐射光。以荧光素钠为例，其吸收峰在480nm附近，辐射峰在520nm左右。因此，PLIF系统选用450nm，2W的连续半导体激光器来激发荧光物质，使用截止波长为510nm的长通滤波片放置于CCD传感器的前方，用于过滤掉溶液中的颗粒物等造成的激光散射，由此获得和荧光物质浓度相关的光强分布，经过适当的校正和率定后即可转化为荧光物质的浓度场。

对于大型水环境测量需求而言，大范围高精度的浓度测量系统是关键设备之一。多点浓度测量系统是基于现代激光技术、荧光技术和图像处理技术的大范围非接触式测量系统。激光通过三维振镜扫描到二维测量平面，激发水中的荧光示踪物质，由配长通滤光镜的相机抓取荧光物质释放出来的红光，通过相关算法可以精确的测量特定点的荧光物质浓度。相较其他方法，多点浓度测量系统的非接触式特征使得安装设备的用时更短，且不会对水体产生扰动和影响，获取数据更为简易和快捷。

多点浓度测量系统具有世界领先的技术水平。其核心技术与优势主要表现于：通过CCD荧光成像反演物质浓度，后处理算法模块，可实现浓度场、平均浓度场的计算以及相关断面的后处理，支持多种数据格式输出。通过三维振镜和交互式控制系统，可以点选视场中的特定点，或者按照特定网格测量大范围多点浓度。多点浓度测量系统为实验室条件下高精度浓度场测量而设计，具有非接触式测量、精度高、控制简单便捷等特点。

此系统通过高功率激光激发水中荧光物质，荧光物质选择荧光素钠，测量点通过三维振镜来控制，荧光物质被激光激发后的光由配备长通滤光镜的相机抓取，可以较为精确的测量荧光物质浓度。荧光素钠是一种高效荧光试剂，其光衰减周期较长，5天之内衰减可忽略不计，受其他物质干扰少，是优良的示踪物质。

相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：本发明具备使用便捷，操作方便，标定计算一体流程化等特点，系统高度集成化，具备很强的实用性能。在此基础之上，开展了一系列的试验研究，主要使用荧光物质来模拟污染物，用于研究污染物的扩散机理等前沿问题，伴生了一系列的研究成果。

附图说明

图1是本发明方法中PLIF测量系统在测试场中的设置示意图；

图2是PLIF系统所捕捉射流不同时刻原始云图；

图3是本发明实施例中不同风速时的时均浓度分布；其中，图3A为风速0m/s时的时均浓度分布，图3B为风速3.2m/s时的时均浓度分布，图3C为风速为5.0m/s时的时均浓度分布，图3D为风速为8.1m/s时的时均浓度分布；

图4是本发明实施例中不同风速中射流中心线浓度分布测量结果对比；

图5是本发明实施例中不同风速中射流横断面浓度分布测量结果对比。

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。

本发明公开了一种在风生流试验中通过PLIF测量系统测量污染物扩散的方法，该PLIF测量系统设置在测试场中。

在本发明实施例中，所述PLIF测量系统，如图1所示，包括连续激光器1、三维振镜2、CCD相机3以及浓度场测量模块和显示器。

在本发明实施例中，所述测试场包括实验室大厅、位于该实验室大厅内模拟整个河流和湖泊的物理模型4、位于该河流入湖口处的射流装置以及容器。

在测试过程中，需要将PLIF测量系统设置在测试场中，具体如图1所示。将连续激光器水平布置在模型上方，连续激光器的出射光经过三维振镜的折射后在模型中的特定测量点位置形成激光点；CCD相机布置在模型上方且相机正对下方模型拍摄，通过CCD相机采集激光诱导发出的荧光亮度。

在风生流试验中，本发明方法包括以下步骤：

（1）荧光溶液从模型的支流通过射流装置流入湖泊，在河流入湖口处的溶液浓度为最大值σmax；

（2）根据入湖溶液浓度最大值σmax进行标准溶液配比；按照n个浓度梯度进行溶液配比，0、1/n σmax、2/n σmax、……、9/n σmax、σmax；

（3）将容器置于模型中的某个激光点位置，容器中添加模型中的水，容器内的水面高度和模型水位线保持一致；此时浓度值为0，相机运行记录此时光斑亮度μ0；

（4）将配比好的不同浓度梯度的标准浓度溶液装入容器中，放置于模型中任意一个激光点照射的位置，相机运行记录此时各光斑亮度μ1、μ2、μ3、…….、μn；

（5）上述浓度信息与激光诱导发出的荧光光斑亮度信息均提交给浓度场测量模块进行数据处理，具体为：绘制σ和μ的关系曲线，拟合获得标定曲线，根据标定曲线，可将任意测量点的荧光光斑灰度值还原成浓度值，然后再插值生成浓度分布的等值线。

在本发明实施例中，为确保数据更完美，由浓度场测量软件对满足要求的数据进行处理，其中，通过调节相机镜头的光圈参数和焦距参数，以及调节振镜扫描时间和停留时间参数，确保相机拍摄的光斑不出现过曝的现象来满足数据处理要求。此外，为避免容器的颜色、花纹的负面影响，所述容器为高透光有机玻璃，且容器底部和模型底部具有同样的纹理。为使得荧光更利于识别，所述荧光物质在激光的激发下呈现绿色荧光。

在本发明实施例中，通过上述方法开展了不同风速条件下的污染物排放试验研究，以了解风生流试验中污染物扩散演化机理，试验使用荧光素钠荧光溶液来模拟污染物，通过射流装置射出已经标定好的荧光素钠溶液来模拟污染物排放过程。在本发明实施例中，射流装置所形成的射流为等密度射流，水平放置以稳定流量持续向自然水体中排放荧光素钠溶液。

根据上述方法实施的过程中，PLIF系统所捕捉射流不同时刻（随机选定t1、t2、t3、t4时刻）原始云图如图2所示。此外，不同风速中PLIF测量污染物浓度分布如图3（A~D）所示，由图可知，随着风速的增加，射流中心线浓度明显下降，特别在出口段射流中心线浓度下降最为明显。在图4、图5所示的不同风速中PLIF测量污染物中心线、横断面浓度分布结果可以看出，随着风速的增加，射流横断面中心浓度明显下降。射流横断面浓度分布随着风速的增加变得越来越平坦。随着风速的增加，横断面上污染物的浓度越来越均化了，风速的增加对污染物扩散作用增强效果明显。

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 (4)

1.一种在风生流试验中通过PLIF测量系统测量污染物扩散的方法，该PLIF测量系统设置在测试场中；该PLIF测量系统包括连续激光器、三维振镜、CCD相机以及浓度场测量模块；所述测试场包括实验室大厅、位于该实验室大厅内模拟整个河流和湖泊的物理模型、位于该河流入湖口处的射流装置以及容器；所述连续激光器的水平出射激光经过三维振镜折射并在模型中的特定测量点位置形成激光点，CCD相机拍照采集该点激光诱导发出的荧光光斑亮度；

其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）荧光溶液从模型的支流通过射流装置流入湖泊，在河流入湖口处的溶液浓度为最 大值

max；

（2）根据入湖溶液浓度最大值

max进行标准溶液配比；按照n个浓度梯度进行溶液配 比，0、1/n

max、2/n

max、3/n

max、……、

max；

（3）将容器置于模型中的某个所述激光点位置，往容器中添加模型中的水，容器内的水 面高度和模型水位线保持一致；此时浓度值为0，通过CCD相机记录此时的光斑亮度

0；

（4）将标准浓度溶液装入容器中，放置于模型中任意一个所述激光点位置，通过CCD相 机记录此时的光斑亮度

1、

2、

3、…….、

n；

（5）浓度场测量模块对浓度信息与光斑亮度信息进行处理：绘制

和

的关系曲线，拟 合获得标定曲线，根据标定曲线，可将任意测量点的灰度值还原成浓度值，然后再插值生成 浓度分布的等值线。

2.如权利要求1所述的通过PLIF测量系统测量污染物扩散的方法，其特征在于，由浓度场测量模块对满足要求的数据进行处理，其中，通过调节相机镜头的光圈参数和焦距参数，以及调节振镜扫描时间和停留时间参数，确保相机拍摄的光斑不出现过曝的现象来满足数据处理要求。

3.如权利要求1所述的通过PLIF测量系统测量污染物扩散的方法，其特征在于，所述容器为高透有机玻璃，且容器底部和模型底部具有同样的纹理。

4.如权利要求1所述的通过PLIF测量系统测量污染物扩散的方法，其特征在于，所述荧光溶液在激光的诱导激发下发出绿色荧光。

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