CN115684642A - 基于荧光示踪粒子的水槽试验表面流场测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于荧光示踪粒子的水槽试验表面流场测量方法及系统，方法包括提供一黑暗环境，向置于黑暗环境中的试验水槽内均匀地播撒荧光示踪粒子进行流场测量，并实时的采集荧光示踪粒子在所述试验水槽内中的运动影像，其中荧光示踪粒子为经过蓄光处理后的荧光示踪粒子；将荧光示踪粒子的运动影像发送至计算机，由计算机对荧光示踪粒子的运动影像进行数据处理，以获取试验水槽中的水流表面流场变化过程。本发明利用荧光示踪粒子在黑暗环境中能够发出荧光的特性，增强了视频图像中示踪粒子运动轨迹的可辨识度，减少了水面上的光线反射对流场测量的影响，提高了模型试验研究中大范围流场测量的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及水槽试验的流场测量技术领域，尤其是指一种基于荧光示踪粒子的水槽试验表面流场测量方法及系统。
背景技术
在进行大型水利模型研究的过程中，往往需要通过测量水流表面流场获取模型中的大范围水动力信息。目前，针对物理模型中流场的测量方法主要可分为两种：一是通过PIV（Particle Image Velocimetry，粒子图像测速）技术，该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，优点是精度高、效率高、能够观测到微观的流场变化，缺点是测量范围相对较小、仪器造价高昂、设备结构复杂、且具有危险性；二是以塑料颗粒为示踪粒子、通过摄像机拍摄示踪粒子运动轨迹获取流场信息，其优点是测量范围大、使用成本低、设备简单，缺点是视频影像容易受到周围环境光线的影响、水面的反光容易干扰示踪粒子的判断、测量精度低。因此，迫切需要提出一种准确且高效的大范围流场测量方法以克服现有技术存在的上述技术缺陷。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中存在的技术缺陷，而提出一种基于荧光示踪粒子的水槽试验表面流场测量方法及系统，其利用荧光示踪粒子在黑暗环境中能够发出荧光的特性，增强了视频图像中示踪粒子运动轨迹的可辨识度，减少了水面上的光线反射对流场测量的影响，提高了模型试验研究中大范围流场测量的准确性。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于荧光示踪粒子的水槽试验表面流场测量方法，包括：
提供一黑暗环境，向置于黑暗环境中的试验水槽内均匀地播撒荧光示踪粒子进行流场测量，并实时的采集所述荧光示踪粒子在所述试验水槽内中的运动影像，其中所述荧光示踪粒子为经过蓄光处理后的荧光示踪粒子；
将所述荧光示踪粒子的运动影像发送至计算机，由所述计算机对荧光示踪粒子的运动影像进行数据处理，以获取试验水槽中的水流表面流场变化过程。
在本发明的一个实施例中，对所述荧光示踪粒子进行蓄光处理的方法包括：
使用照明设备对所述荧光示踪粒子的每个面均照射设定的时间。
在本发明的一个实施例中，在流场测量过程中，对远离所述试验水槽的流场测量区域的荧光示踪粒子进行回收。
在本发明的一个实施例中，在流场测量过程中，在所述荧光示踪粒子的发光效果变弱后，使用所述照明设备重新对所述荧光示踪粒子进行照射蓄光。
在本发明的一个实施例中，所述荧光示踪粒子为表面涂有荧光涂层或由荧光粉制成的轻质塑料颗粒。
此外，本发明还提供一种基于荧光示踪粒子的水槽试验表面流场测量系统，包括：
拍摄设备，其用于在试验水槽进行流场测量的过程中实时的采集所述荧光示踪粒子在所述试验水槽内中的运动影像，其中对试验水槽进行流场测量包括提供一黑暗环境，向置于黑暗环境中的试验水槽内均匀地播撒荧光示踪粒子进行流场测量，所述荧光示踪粒子为经过蓄光处理后的荧光示踪粒子；
计算机，其用于接收所述荧光示踪粒子的运动影像，并对荧光示踪粒子的运动影像进行数据处理，以获取试验水槽中的水流表面流场变化过程。
在本发明的一个实施例中，还包括遮光帘，所述遮光帘布设于所述试验水槽的四周，所述遮光帘用于在流场测量过程中提供黑暗环境。
在本发明的一个实施例中，所述拍摄设备的数量为至少一个，至少一个所述拍摄设备布设于所述试验水槽的流场测量区域的正上方。
在本发明的一个实施例中，还包括支架，所述支架设置于所述试验水槽上，所述拍摄设备设置于所述支架上。
在本发明的一个实施例中，还包括照明设备，所述照明设备用于对所述荧光示踪粒子进行蓄光处理，所述照明设备为强光灯或紫光灯。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
（1）本发明所述的一种基于荧光示踪粒子的水槽试验表面流场测量方法及系统，其利用荧光示踪粒子在黑暗环境中能够发出荧光的特性，增强了视频图像中示踪粒子运动轨迹的可辨识度，减少了水面上的光线反射对流场测量的影响，提高了模型试验研究中大范围流场测量的准确性；
（2）本发明所述的一种基于荧光示踪粒子的水槽试验表面流场测量方法及系统，其结构简单、操作方便，其中荧光示踪粒子易于制作并且造价低廉，可定制不同形状和大小，适用于大型物理模型的大范围流场测量；
（3）本发明所述的一种基于荧光示踪粒子的水槽试验表面流场测量方法及系统，其使用的荧光示踪粒子密度小于水，能够漂浮于水面之上并随水流一起运动，测量过程中对水流动力、泥沙运动、地貌演变的影响很小；
（4）本发明所述的一种基于荧光示踪粒子的水槽试验表面流场测量方法及系统，其使用的荧光示踪粒子易于回收再利用，且不会影响试验用水的物理化学性质；
（5）本发明所述的一种基于荧光示踪粒子的水槽试验表面流场测量方法及系统，其能够适用于河道冲淤、水工建筑物水动力模拟、潮滩地貌演变等大型物理模型的流场测量，同时也适用于流体力学试验教学领域。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提出的基于荧光示踪粒子的水槽试验表面流场测量系统的组成示意图。
图2为本发明所提出的基于荧光示踪粒子的水槽试验表面流场测量方法的流程示意图。
图中标号说明：1、试验水槽；2、支架；3、拍摄设备；4、荧光示踪粒子；5、照明设备；6、计算机；7、遮光帘。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示，本发明实施例提供一种基于荧光示踪粒子4的水槽试验表面流场测量系统，其包括照明设备5、拍摄设备3和计算机6，在对试验水槽1进行流场测量前，所述照明设备5用于对荧光示踪粒子4进行蓄光处理，其中对试验水槽1进行流场测量包括提供一黑暗环境，向置于黑暗环境中的试验水槽1内均匀地播撒荧光示踪粒子4进行流场测量；拍摄设备3用于实时的采集所述荧光示踪粒子4在所述试验水槽1内中的运动影像；计算机6用于接收所述荧光示踪粒子4的运动影像，并对荧光示踪粒子4的运动影像进行数据处理，以获取试验水槽1中的水流表面流场变化过程。
本发明所述的一种基于荧光示踪粒子4的水槽试验表面流场测量系统，其利用荧光示踪粒子4在黑暗环境中能够发出荧光的特性，增强了视频图像中示踪粒子运动轨迹的可辨识度，减少了水面上的光线反射对流场测量的影响，提高了模型试验研究中大范围流场测量的准确性。
此外，本发明所述的一种基于荧光示踪粒子4的水槽试验表面流场测量系统还包括遮光帘7和支架2，所述遮光帘7布设于所述试验水槽1的四周，所述遮光帘7用于在流场测量过程中提供黑暗环境；所述支架2设置于所述试验水槽1上，所述支架2用于固定拍摄设备3，即所述拍摄设备3设置于所述支架2上。
其中，上述所述试验水槽1是河道冲淤、水工建筑物水动力模拟、潮滩地貌演变等大型物理模型试验研究中所使用的水槽或港池。
其中，上述所述拍摄设备3为摄像机或高速照相机，拍摄设备3布置于试验水槽1的流场测量区域的正上方，拍摄设备3的摄像头垂直向下布置，用于记录所述荧光示踪粒子4的运动轨迹。可通过改变拍摄设备3的架设高度调整拍摄设备3的拍摄范围，以覆盖整个测量区域。对于测量范围较大的模型试验，可架设多台拍摄设备3并同步拍摄，以满足测量需求。
其中，上述所述荧光示踪粒子4为表面涂有荧光涂层或由荧光粉制成的轻质塑料颗粒，其形状和大小可以根据需要定制，能够在黑暗中发出荧光，且荧光示踪粒子4的密度小于水，能够浮于水体表面，并跟随水流运动。在流场测量开始前，需要用照明设备5照射荧光示踪粒子4，且荧光示踪粒子4的每个面均应照射设定的时间，以使其能够充分蓄光，作为优选地，时间可以是20分钟以上。在流场测量过程中，将蓄光后的荧光示踪粒子4均匀播撒在试验水槽1中的水面上，并通过拍摄设备3记录荧光示踪粒子4的运动轨迹。
本发明所述的一种基于荧光示踪粒子4的水槽试验表面流场测量系统，其使用的荧光示踪粒子4易于回收再利用，且不会影响试验用水的物理化学性质。
本发明所述的一种基于荧光示踪粒子4的水槽试验表面流场测量方法及系统，其使用的荧光示踪粒子4密度小于水，能够漂浮于水面之上并随水流一起运动，测量过程中对水流动力、泥沙运动、地貌演变的影响很小。
其中，上述所述照明设备5为强光灯或紫光灯，照明设备5在试验水槽1之外单独布置，照明设备5用于照射所述荧光示踪粒子4，并使其蓄光。在流场测量过程中应避免照明设备5的光线对拍摄设备3所拍摄影像的影响。
其中，上述所述遮光帘7由不透光布料制成，所述遮光帘7布设于试验水槽1的四周，用于在流场测量过程中遮蔽外界光线，将试验水槽1、支架2和拍摄设备3置于黑暗环境中。当试验水槽1上方有灯光照射时，需要在试验水槽1、支架2和拍摄设备3的上方增加遮光帘7，制造黑暗环境。
其中，上述所述计算机6用于处理拍摄设备3获得的影像信息，其中包括视频影像的畸变矫正处理和荧光示踪粒子4运动影像的粒子图像测速分析。通过分析荧光示踪粒子4的运动轨迹以及相邻两帧图像间荧光示踪粒子4位置的变化，获取试验水槽1中的水流表面流场。
在流场测量过程中，对于远离流场测量区域的荧光示踪粒子4可以在试验水槽1的两端将其回收，并重新投放到试验水槽1的流场测量区域内。在荧光示踪粒子4的发光效果变弱后，可再次通过照明设备5对其照射蓄光，从而循环利用。
本发明所述的一种基于荧光示踪粒子4的水槽试验表面流场测量系统，其结构简单、操作方便，其中荧光示踪粒子4易于制作并且造价低廉，可定制不同形状和大小，适用于大型物理模型的大范围流场测量。
本发明所述的一种基于荧光示踪粒子4的水槽试验表面流场测量系统，其能够适用于河道冲淤、水工建筑物水动力模拟、潮滩地貌演变等大型物理模型的流场测量，同时也适用于流体力学试验教学领域。
相应于上述测量系统的实施例，本发明还提供一种基于荧光示踪粒子4的水槽试验表面流场测量方法，包括：
提供一黑暗环境，向置于黑暗环境中的试验水槽1内均匀地播撒荧光示踪粒子4进行流场测量，并实时的采集所述荧光示踪粒子4在所述试验水槽1内中的运动影像，其中所述荧光示踪粒子4为经过蓄光处理后的荧光示踪粒子4；
将所述荧光示踪粒子4的运动影像发送至计算机6，由所述计算机6对荧光示踪粒子4的运动影像进行数据处理，以获取试验水槽1中的水流表面流场变化过程。
具体地，图2示出了根据本发明进行物理模型试验表面流场测量的流程示意图。如图2所示，本发明提供一种基于荧光示踪粒子4的水槽试验表面流场测量方法，包括以下步骤：
步骤11：使用照明设备5照射荧光示踪粒子4的每一面各20分钟以上；
步骤12：闭合遮光帘7，使试验水槽1、支架2和拍摄设备3置于黑暗环境中；
步骤13：向试验水槽1中均匀播撒荧光示踪粒子4；
步骤14：开启拍摄设备3记录荧光示踪粒子4的运动轨迹；
步骤15：在试验水槽1的两端回收远离流场测量区域的荧光示踪粒子4，并重复步骤13，以补充荧光示踪粒子4；
步骤16：对于发光效果明显减弱的荧光示踪粒子4可重复步骤11，使其再次蓄光；
步骤17：重复所述步骤13、15和16，直到流场测量结束；
步骤18：使用计算机6对荧光示踪粒子4的运动影像进行畸变矫正处理和粒子图像测速分析，以此获取流场变化过程。
本实施例的一种基于荧光示踪粒子的水槽试验表面流场测量方法基于前述的一种基于荧光示踪粒子的水槽试验表面流场测量装置实现，因此该方法的具体实施方式可见前文中的一种基于荧光示踪粒子的水槽试验表面流场测量装置的实施例部分，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再展开介绍。
另外，由于本实施例的一种基于荧光示踪粒子的水槽试验表面流场测量方法基于前述的一种基于荧光示踪粒子的水槽试验表面流场测量装置实现，因此其作用与上述方法的作用相对应，这里不再赘述。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种基于荧光示踪粒子的水槽试验表面流场测量方法，其特征在于：包括：
提供一黑暗环境，向置于黑暗环境中的试验水槽内均匀地播撒荧光示踪粒子进行流场测量，并实时的采集所述荧光示踪粒子在所述试验水槽内中的运动影像，其中所述荧光示踪粒子为经过蓄光处理后的荧光示踪粒子；
将所述荧光示踪粒子的运动影像发送至计算机，由所述计算机对荧光示踪粒子的运动影像进行数据处理，以获取试验水槽中的水流表面流场变化过程。
2.根据权利要求1所述的一种基于荧光示踪粒子的水槽试验表面流场测量方法，其特征在于：对所述荧光示踪粒子进行蓄光处理的方法包括：
使用照明设备对所述荧光示踪粒子的每个面均照射设定的时间。
3.根据权利要求1所述的一种基于荧光示踪粒子的水槽试验表面流场测量方法，其特征在于：在流场测量过程中，对远离所述试验水槽的流场测量区域的荧光示踪粒子进行回收。
4.根据权利要求2所述的一种基于荧光示踪粒子的水槽试验表面流场测量方法，其特征在于：在流场测量过程中，在所述荧光示踪粒子的发光效果变弱后，使用所述照明设备重新对所述荧光示踪粒子进行照射蓄光。
5.根据权利要求1所述的一种基于荧光示踪粒子的水槽试验表面流场测量方法，其特征在于：所述荧光示踪粒子为表面涂有荧光涂层或由荧光粉制成的轻质塑料颗粒。
6.一种基于荧光示踪粒子的水槽试验表面流场测量系统，其特征在于：包括：
拍摄设备，其用于在试验水槽进行流场测量的过程中实时的采集所述荧光示踪粒子在所述试验水槽内中的运动影像，其中对试验水槽进行流场测量包括提供一黑暗环境，向置于黑暗环境中的试验水槽内均匀地播撒荧光示踪粒子进行流场测量，所述荧光示踪粒子为经过蓄光处理后的荧光示踪粒子；
计算机，其用于接收所述荧光示踪粒子的运动影像，并对荧光示踪粒子的运动影像进行数据处理，以获取试验水槽中的水流表面流场变化过程。
7.根据权利要求6所述的一种基于荧光示踪粒子的水槽试验表面流场测量系统，其特征在于：还包括遮光帘，所述遮光帘布设于所述试验水槽的四周，所述遮光帘用于在流场测量过程中提供黑暗环境。
8.根据权利要求6所述的一种基于荧光示踪粒子的水槽试验表面流场测量系统，其特征在于：所述拍摄设备的数量为至少一个，至少一个所述拍摄设备布设于所述试验水槽的流场测量区域的正上方。
9.根据权利要求6或8所述的一种基于荧光示踪粒子的水槽试验表面流场测量系统，其特征在于：还包括支架，所述支架设置于所述试验水槽上，所述拍摄设备设置于所述支架上。
10.根据权利要求6所述的一种基于荧光示踪粒子的水槽试验表面流场测量系统，其特征在于：还包括照明设备，所述照明设备用于对所述荧光示踪粒子进行蓄光处理，所述照明设备为强光灯或紫光灯。
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