CN115855438A - 一种基于3d3c-piv的水下三维空间流场测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于3D3C‑PIV的水下三维空间流场测量系统及方法，主要包含导流剑杆、主雷体、副雷体、激光系统以及铝型材固定架；该系统可通过铝型材固定架自由固定于拖曳水池或循环水槽等环境的升降机构上，并在工作时将主、副雷体降于水面下待测深度，激光系统产生的激光经由剑杆内置导光臂传递至主雷体中央并通过透镜组转化为体光源照亮待测位置，内置于主、副雷体两侧的四台高速相机获取照亮位置的粒子图像，并经由剑杆内置相机电缆导臂将数据传输至位于拖车上的系统控制主机进行后续的分析。本发明使3D3C‑PIV系统适用于拖曳水池、循环水槽等大范围水域的工作环境，满足各种水下三维空间流场信息的测量试验需求。

Description

一种基于3D3C-PIV的水下三维空间流场测量系统及方法

技术领域

本发明属于水下试验领域，具体涉及一种基于3D3C-PIV的水下三维空间流场测量系统及方法。

背景技术

3D3C-PIV(3 Dimension 3 Component Particle Image Velocimetry)可实现三维空间流场中流体质点的三方向速度矢量的测量，其主要由四台高速相机(不小于三台)以及双脉冲激光器组成，通过激光器照亮流场中的示踪粒子，四台呈一定角度的高速相机记录示踪粒子的变换图像来分析流场的速度信息，是进行流动机理试验研究的科研利器。

在船舶工程领域，在拖曳水池或循环水槽中进行船舶的模型试验是判断船型优劣最普遍的试验方法，在船舶绕流场中的速度分布与湍流特性具有很强的三维空间特性，而目前仍缺少在水池中获取船模三维绕流场的测试方法，这便需要对现有的试验系统进行改进，使其可以应用于拖曳水池或循环水槽的实验环境。

现有的水下流场测试系统仍存在诸多技术缺陷及不足：

1.现阶段普遍水下流场测试系统主要为水下SPIV(Stereoscopic ParticleImage Velocimetry)测试系统，但仅可以获取二维平面内流体质点的三维速度矢量信息，无法应用于强三维空间特性的流场测量。

2.现有的3D3C-PIV系统主要在空气环境下使用，可应用于具有透明壁面的小型水槽试验环境，近壁面的跨介质倾斜拍摄会带来较明显的图像变形，且拍摄对象需距壁面较近位置，因此对于大范围的池体环境无法适用。

3.现有唯一的水下Tomo-PIV测量系统在爱荷华大学水科学与工程研究所(IIHR)，其激光导光臂与三台高速相机分别通过独立的圆柱结构入水，缺乏结构可靠性，高航速时会发生相对抖动影响测量效果；占用空间范围较大，应用场景有限，工作时多柱体结构所激起的兴波会对系统结构强度带来极大的考验。

发明内容

本发明的目的在于。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

一种基于3D3C-PIV的水下三维空间流场测量系统，包括导流剑杆、主雷体、副雷体、激光系统及铝型材固定架；激光系统位于导流剑杆最上端，包括激光器主体，导流剑杆与激光系统均固定在铝型材固定架上；导流剑杆为中空结构即中空舱体，中空舱体内置激光导光臂和相机电缆导臂，下端依次固定主雷体与副雷体；主雷体包括两个雷体导流帽、两个相机反射镜舱、两个相机舱及激光调整舱；激光调整舱位于主雷体中间位置，激光调整舱包括中空舱体延伸下来的激光导光臂、激光反射镜、位于中间位置的透镜组及位于雷体壁面的激光出口；激光调整舱的两侧为依次为相机舱、相机反射镜舱和雷体导流帽，每侧的相机舱和相机反射镜舱内均包含一套高速相机组，高速相机组包括一个位于安装在旋转平台上的高速相机、位置固定的相机镜头、相机反射镜和位于雷体壁面的相机拍摄窗口；副雷体包含与主雷体相同的相机舱、相机反射镜舱及两套高速相机组。

进一步地，所述导流剑杆包括固定架、中空舱体及导流片，固定架与中空舱体连接，为激光导光臂与相机电缆提供外接出口；中空舱体包含一条激光导光臂及一条相机电缆导臂。激光导光臂由固定架上方的激光系统出发到主雷体中央为止，相机电缆导臂在主雷体分出两束线缆分别控制主雷体两端的两套高速相机组，并向下延伸至副雷体以控制副雷体的两套高速相机组；前后两片流线型导流片与中空舱体连接，保证导流剑杆在水中工作时的稳定性。

进一步地，所述高速相机与相机镜头分离，并可由旋转平台带动进行角度偏移，进而与相机镜头呈夹角。

进一步地，所述相机反射镜舱与外界连通，并在工作时充满水体。

进一步地，所述相机舱和激光调整舱需保持水密。

进一步地，所述相机反射镜舱和激光调整舱内的反射镜可绕雷体的中轴线进行多级旋转。

本发明还可以包括：

一种基于3D3C-PIV的水下三维空间流场测量方法，具体步骤如下：

步骤1：整套测量系统通过铝型材固定架连接至拖车或岸基上的三维移动机构上，再将激光器主体连接至激光控制器，由导流剑杆上端伸出的相机光缆连接至系统控制主机；

步骤2：完成步骤1后，根据拍摄位置需求调整主、副雷体的相机反射镜舱以及激光调整舱内的反射镜角度，使四台相机拍摄区域一致，且处于体激光照射范围内；

步骤3：步骤2的反射镜角度调整完成后，通过三维移动机构将主、副雷体放入水下，并对Tomo-PIV系统进行标定，标定途中，可通过系统控制主机分别对四台相机的Scheimpflug角度以及镜头焦距进行调整；

步骤4：步骤3的Tomo-PIV系统标定完成后，通过三维移动机构将主、副雷体移动到水下的测量位置，通过系统控制主机设置Tomo-PIV系统的工作参数；同时测量水池中范围内的全部流场范围布撒浓度适中、分布均匀的示踪粒子，并保持水池试验环境光处于暗水平；

步骤5：开始试验测量，拖曳水池环境下：通过拖车带动主、副雷体以目标航速行驶，主、副雷体保持与待测船模的相对静止，待拖车速度稳定后开始记录粒子图像数据，并在拖车减速前停止记录，此时获得了四台高速相机的粒子图像，通过后处理可以计算拍摄三维空间范围内流场的速度矢量信息；循环水槽环境下：使水体以目标速度流动，流速均匀后记录待测区域内的流动信息；

步骤6：试验结束，将雷体伸出水面。

本发明的有益效果在于：

本发明的导流剑杆与导流片装置的流线型设计会尽可能的降低兴波干扰与结构载荷的负担。

本发明的主、副雷体相机反射镜舱以及激光调整舱内的反射镜可绕雷体的中轴线进行多级旋转，以变更测量区域与雷体的相对位置，提供更广泛的应用场景。

本发明的主、副雷体中的高速相机主体安装在旋转平台上可实现小幅度旋转，相机镜头与相机分离并固定，通过电缆导臂可远程控制旋转平台旋转使相机与镜头呈一定角度，满足沙姆定律(Scheimpflug)，在倾斜拍摄时得到全画幅的清晰影像。

本发明的相机反射镜具有单独的舱室并与外界联通，以使该舱体在工作过程中充满水体，避免因相机跨介质倾斜拍摄而造成的图像变形。

本发明的相机电缆中包含相机镜头的控制电缆，可通过系统控制主机对相机镜头进行远程调焦。

附图说明

图1为本发明基于3D3C-PIV的水下三维空间流场测量系统总体结构图；

图2为本发明导流剑杆结构图；

图3为本发明主、副雷体正视图；

图4为本发明主、副雷体侧视图；

图5为本发明主雷体内部细节图；

图6为本发明副雷体内部细节图；

图7为本发明激光系统与铝型材固定架细节图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

根据图1，本发明提供了一种基于3D3C-PIV的水下三维空间流场测量系统，主要包括导流剑杆1、主雷体2、副雷体3、激光系统4以及铝型材固定架5。

根据图2、3和5，导流剑杆1由固定架1a、中空舱体1b、导流片1c组成，固定架1a与中空舱1b体连接，提供激光导光臂18与相机电缆的外接出口，并起到固定整体框架的作用；中空舱体1b内置钢架梁以保证整体结构强度，并包含一条激光导光臂18以及一条相机电缆导臂21，激光导光臂18由固定架1a上方的激光系统4出发到主雷体2中央为止，相机电缆导臂21则在主雷体2分出两束线缆分别控制主雷体2两端的两套相机组，并向下延伸至副雷体3以控制副雷体3的两套相机组；前后两片流线型导流片1c通过铆钉与中空舱1b体进行连接，以保证流剑杆1在水中工作时的稳定性。

根据图3至7，主雷体2与导流剑杆1连接，主要分为五个舱室以及前后导流帽，其中中间舱室为激光调整舱12，舱内主要为由中空舱体1b延伸下来的激光导光臂18、透镜组19、激光反射镜20以及激光出口7。由激光器主体23发出的线激光经由激光导光臂1传递至激光调整舱12，再由透镜组将其转变为体激光9，再借由激光反射镜20使体激光9垂直于雷体通过激光出口7射出，照亮流场中的待测空间。其次为两个相机舱13以及两个相机反射镜舱11对称分布在激光调整舱12两侧，相机舱13内主要为一台固定在旋转平台22上的高速相机16以及一个固定的相机镜头15，并外接出三条电缆经由相机电缆导臂21连接至拖车上的系统控制主机，分别控制旋转平台22、高速相机16以及相机镜头15；高速相机16与相机镜头15分离，并可由旋转平台22带动进行微小的角度偏移，进而与镜头呈一定的夹角，以满足沙姆定律(Scheimpflug)，可以在倾斜拍摄时得到全画幅的清晰影像，相机镜头15可以通过电缆控制进行远程调焦。相机反射镜舱11则内置相机反射镜14使相机可以透过相机拍摄窗口6捕捉到测量区域的粒子图像，为避免因相机跨介质倾斜拍摄而造成的图像变形，相机反射镜舱11需与外界连通并保证在工作时充满水体。除相机反射镜舱外11，其他三个舱室均需要保持水密，避免仪器进水损坏。相机反射镜舱11以及激光调整舱12内的反射镜可绕雷体的中轴线进行多级旋转，以变更测量区域与雷体的相对位置，提供更广泛的应用场景。副雷体3除没有激光调整舱12外，其余部分均与主雷体2结构一致。

根据图7，激光系统4包括激光器主体23架设在导流剑杆1固定架1a上方的激光器固定支架27上，激光从激光系统4前端激光出口经由多级转接口24传递到激光导光臂18，激光系统4后端需通过激光控制器及电源接口25和激光器水冷接口26连接控制电源以及循环水冷系统保证正常工作；激光系统4需始终保持在水面上的安全距离，避免进水危险。激光系统4需与四台高速相机16通过同步控制器进行同步控制。导流剑杆1的固定架1a与激光系统4均通过国标铝型材固定架5进行固定，可自由安装在拖曳水池拖车或循环水槽岸基上的其他机构或升降平台上。

本发明一种基于3D3C-PIV的水下三维空间流场测量系统具体测量方法如下：

首先是设备的安装：整套设备均可通过国标铝型材固定架连接至拖车或岸基上的三维移动机构上，随后将激光器主体连接至激光控制器，由导流剑杆上端伸出的相机光缆连接至系统控制主机。

安装完成后，根据拍摄位置需求调整主、副雷体相机反射镜舱以及激光调整舱内的反射镜角度，确保四台相机拍摄区域一致，且处于体激光照射范围10内。角度调整完成后通过三维移动机构将雷体放入水下，并对Tomo-PIV系统进行标定，标定途中，可通过系统控制主机分别对四台相机的Scheimpflug角度以及镜头焦距进行调整。在标定完成后通过三维移动机构将雷体移动到水下的测量位置，通过系统控制主机设置Tomo-PIV系统的工作参数，包含激光能量、拍摄频率、跨帧间隔等。同时，需要在水池中测量范围内的全部流场范围布撒浓度适中、分布均匀的示踪粒子，并保持水池试验环境光处于较暗水平。

在试验整体准备就绪后，开始试验测量，拖曳水池环境下，可通过拖车带动雷体以目标航速行驶，雷体保持与待测船模的相对静止，待拖车速度稳定后开始记录粒子图像数据，并在拖车减速前停止记录，此时获得了四台高速相机的粒子图像，通过后处理便可以计算拍摄三维空间范围内流场的速度矢量信息。而循环水槽环境下可使水体以目标速度流动，流速均匀后记录待测区域内的流动信息。并在试验结束后将雷体伸出水面，并置于干燥环境保存。

需要注意的是，在每次进行试验前，需进行单雷体无船模的标准试验，并以拖曳航速\流速作为均匀的标准流场对该3D3C-PIV系统的流场测试精度进行验证。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (7)

1.一种基于3D3C-PIV的水下三维空间流场测量系统，其特征在于：包括导流剑杆(1)、主雷体(2)、副雷体(3)、激光系统(4)及铝型材固定架(5)；激光系统(4)位于导流剑杆(1)最上端，包括激光器主体(23)，导流剑杆(1)与激光系统(4)均固定在铝型材固定架(5)上；导流剑杆(1)为中空结构即中空舱体(1b)，中空舱体(1b)内置激光导光臂(18)和相机电缆导臂(21)，下端依次固定主雷体(2)与副雷体(3)；主雷体(2)包括两个雷体导流帽(8)、两个相机反射镜舱(11)、两个相机舱(13)及激光调整舱(12)；激光调整舱(12)位于主雷体(2)中间位置，激光调整舱(12)包括中空舱体(1b)延伸下来的激光导光臂(18)、激光反射镜(20)、位于中间位置的透镜组(19)及位于雷体壁面的激光出口(7)；激光调整舱(12)的两侧为依次为相机舱(13)、相机反射镜舱(11)和雷体导流帽(8)，每侧的相机舱(13)和相机反射镜舱(11)内均包含一套高速相机组，高速相机组包括一个位于安装在旋转平台(22)上的高速相机(16)、位置固定的相机镜头(15)、相机反射镜(14)和位于雷体壁面的相机拍摄窗口(6)；副雷体(3)包含与主雷体(2)相同的相机舱(13)、相机反射镜舱(11)及两套高速相机组。

2.根据权利要求1所述的一种基于3D3C-PIV的水下三维空间流场测量系统，其特征在于：所述导流剑杆(1)包括固定架(1a)、中空舱体(1b)及导流片(1c)，固定架(1a)与中空舱体(1b)连接，为激光导光臂(18)与相机电缆提供外接出口；中空舱体(1b)包含一条激光导光臂(18)及一条相机电缆导臂(21)，激光导光臂(18)由固定架(1a)上方的激光系统(4)出发到主雷体(2)中央为止，相机电缆导臂(21)在主雷体(2)分出两束线缆分别控制主雷体(2)两端的两套高速相机组，并向下延伸至副雷体以控制副雷体(3)的两套高速相机组；前后两片流线型导流片(1c)与中空舱体(1b)连接，保证导流剑杆(1)在水中工作时的稳定性。

3.根据权利要求1所述的一种基于3D3C-PIV的水下三维空间流场测量系统，其特征在于：所述高速相机(16)与相机镜头(15)分离，并可由旋转平台(22)带动进行角度偏移，进而与相机镜头(15)呈夹角。

4.根据权利要求1所述的一种基于3D3C-PIV的水下三维空间流场测量系统，其特征在于：所述相机反射镜舱(11)与外界连通，并在工作时充满水体。

5.根据权利要求1所述的一种基于3D3C-PIV的水下三维空间流场测量系统，其特征在于：所述相机舱(13)和激光调整舱(12)需保持水密。

6.根据权利要求1所述的一种基于3D3C-PIV的水下三维空间流场测量系统，其特征在于：所述相机反射镜舱(11)和激光调整舱(12)内的反射镜可绕雷体的中轴线进行多级旋转。

7.一种基于3D3C-PIV的水下三维空间流场测量方法，其特征在于：

步骤1：整套测量系统通过铝型材固定架连接至拖车或岸基上的三维移动机构上，再将激光器主体连接至激光控制器，由导流剑杆上端伸出的相机光缆连接至系统控制主机；

步骤2：完成步骤1后，根据拍摄位置需求调整主、副雷体的相机反射镜舱以及激光调整舱内的反射镜角度，使四台相机拍摄区域一致，且处于体激光照射范围内；

步骤3：步骤2的反射镜角度调整完成后，通过三维移动机构将主、副雷体放入水下，并对Tomo-PIV系统进行标定，标定途中，可通过系统控制主机分别对四台相机的Scheimpflug角度以及镜头焦距进行调整；

步骤4：步骤3的Tomo-PIV系统标定完成后，通过三维移动机构将主、副雷体移动到水下的测量位置，通过系统控制主机设置Tomo-PIV系统的工作参数；同时测量水池中范围内的全部流场范围布撒浓度适中、分布均匀的示踪粒子，并保持水池试验环境光处于暗水平；

步骤5：开始试验测量，拖曳水池环境下：通过拖车带动主、副雷体以目标航速行驶，主、副雷体保持与待测船模的相对静止，待拖车速度稳定后开始记录粒子图像数据，并在拖车减速前停止记录，此时获得了四台高速相机的粒子图像，通过后处理可以计算拍摄三维空间范围内流场的速度矢量信息；循环水槽环境下：使水体以目标速度流动，流速均匀后记录待测区域内的流动信息；

步骤6：试验结束，将雷体伸出水面。

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