CN116698355A - 一种基于x射线技术的波浪实验装置及实验方法 - Google Patents

一种基于x射线技术的波浪实验装置及实验方法 Download PDF

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陈汉宝
陈松贵
胡杰龙
赵旭
朱婷婷
王依娜
熊岩
马隽
张维
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Abstract

本发明公开一种基于X射线技术的波浪实验装置及实验方法,实验装置包括:两个X射线源垂直地安装在水槽实验区域的顶部和侧面,产生X射线并通过准直器扩散,形成锥形光束,两个高速X射线互补金属氧化物半导体探测器分别放置于X射线源的对面;多通道触发源开关同步两个探测器,向水中放入圆柱形X射线吸收颗粒;采用浪高仪采集波高数据进行校准,顶视图数据采用对数校准曲线,侧视图数据采用二阶多项式曲线。本发明可检查和测量波浪破碎而产生的水体飞溅和气泡特征,能够更详细地研究诸如波浪破碎等强时间依赖性现象,测量其速度场和精确的表面高程,获取具有高时空分辨率的图像,提高实验精度和应用范围。

Description

一种基于X射线技术的波浪实验装置及实验方法
技术领域
本发明属于实验测量技术领域,尤其涉及一种基于X射线技术的波浪实验装置及实验方法。
背景技术
波浪由外海向近岸传播过程中会发生浅水变形、破碎、溯升等一系列复杂的水动力变化,其中破碎阶段水体和空气相互作用剧烈,引起大量空气的掺入,并伴随着气泡的产生。受重力、浮力及表面张力等作用,气泡会出现破裂和聚合等现象,造成附近水体形成高速射流和强烈紊动等,进而影响海-气交换、破碎带泥沙输运以及污染物运动,并对沿海构筑物产生破坏等。因此,研究破碎区液体飞溅、气腔及气泡的产生、演化及其输运过程具有重要的学术价值和实际意义。
近年来,学者们对于气泡的研究多集中于静水条件下,然而近岸破碎波水体紊动非常强烈,其气泡输运问题较静水条件更为复杂。由于近岸带波浪破碎后,内破碎区至冲泻区内水深较浅,水流流速快,实验测量难以捕捉到水体卷气,飞溅和气泡输运过程。在物理模型实验中,虽然诸如粒子图像测速(PIV)、粒子跟踪测速(PTV)和激光多普勒测速(LDV)等光学测量技术被广泛用于研究波浪破碎事件中的速度、加速度和湍流结构,但当波浪卷破破碎时,水体内产生较大气腔及气泡,其形状不规则性强,气泡界面处光线的反射和折射,影响了光学可达性,这导致光学畸变和光学通道限制以致无法准确测量水体飞溅、气腔及气泡的体积。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于X射线技术的波浪实验装置及实验方法,以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的,本发明提供了一种基于X射线技术的波浪实验装置,包括:
水槽;
造波机,所述造波机安装在所述水槽的一端;
岸滩模型,所述岸滩模型设置于所述水槽远离所述造波机的一端内侧;
两个X射线源,两个所述X射线源垂直设置,且分别安装在所述水槽实验区域的顶部和侧面;
两个高速X射线互补金属氧化物半导体探测器,两个所述高速X射线互补金属氧化物半导体探测器分别与两个所述X射线源对应设置;
浪高仪,所述浪高仪设置于所述水槽远离所述岸滩模型的一端,所述浪高仪用于测量波浪数据;
X射线吸收颗粒,所述X射线吸收颗粒放置于所述水槽的水体中。
优选的,还包括准直器,所述准直器用于对所述X射线源产生的X射线进行扩散形成锥形光束。
优选的,还包括多通道触发源开关,所述多通道触发源开关用于同步两个所述高速X射线互补金属氧化物半导体探测器。
优选的,所述X射线吸收颗粒的长度为1mm~2mm,直径为1mm。
优选的,所述X射线吸收颗粒由泡沫聚合物制成,该泡沫聚合物具有4%~5%体积的金属。
优选的,所述金属为铅和/或钨。
优选的,所述X射线吸收颗粒的密度为0.14kg/m3~1.94kg/m3
优选的,所述X射线吸收颗粒的斯托克斯数为0.8201~1.0851。
一种基于X射线技术的波浪实验方法,使用基于X射线技术的波浪实验装置,包括以下步骤:
S1、波浪实验装置的布置;
S2、利用高速X射线互补金属氧化物半导体探测器进行图像捕捉,并对捕捉到的图像进行缩放处理;
S3、利用浪高仪采集波高数据并进行校准;顶视图数据采用对数校准曲线,侧视图数据采用二阶多项式曲线,侧视图相间由图像的最大垂直梯度确定;
S4、改变X射线源和高速X射线互补金属氧化物半导体探测器相对于水槽的位置,重复S2~S3的操作,得到不同的视域。
与现有技术相比,本发明具有如下优点和技术效果:
本发明利用基于X射线技术的波浪实验装置,来检测和测量由于波浪破碎所产生水体飞溅、气泡及空腔的特性,通过两组垂直的X射线源、高速X射线互补金属氧化物半导体探测器研究波浪在从破碎区到冲泻区的位置并以最大加速时间捕获图像,测量其速度场和精确的表面高程,提高实验精度和应用范围。本发明弥补了现有的光学测量技术中,由于光线在波浪表面的折射和反射,或者是由于光线在波浪池壁上的反射很难测量水波的自由表面的缺点;同时解决了由于水和空气之间的界面在视觉光线捕捉到的图像中得到一个不准确的位置,以致破浪破碎时产生的水体飞溅及气泡测量不准确的问题,使其获取具有高时空分辨率的图像。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例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他的附图。
图1为本发明基于X射线技术的波浪实验装置布置图;
图2为本发明基于X射线技术的波浪实验装置的波浪破碎时的侧视图;
其中:1、水槽;2、造波机;3、岸滩模型;4、X射线源;5、高速X射线互补金属氧化物半导体探测器;6、浪高仪。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明提供一种基于X射线技术的波浪实验装置,包括:水槽1、造波机2、岸滩模型3、两个X射线源4、两个高速X射线互补金属氧化物半导体探测器5、浪高仪6及X射线吸收颗粒。
本发明利用基于X射线技术的波浪实验装置进行的实验方法,包括以下步骤:
S1、波浪实验装置的布置;
造波机2安装在水槽1的一端;岸滩模型3设置于水槽1远离造波机2的一端内侧;两个X射线源4垂直设置,且分别安装在水槽1实验区域的顶部和侧面;X射线辐射在能量峰值附近分布,其顶部和侧面的能量源设置为80KV,电流设置为5.5mA;然后产生X射线并通过准直器扩散,形成锥形光束;两个高速X射线互补金属氧化物半导体探测器5分别与两个X射线源4对应设置;浪高仪6设置于水槽1远离岸滩模型3的一端,浪高仪6用于测量波浪数据;向水槽1的水体中放入长度为1mm~2mm、直径为1mm的圆柱形X射线吸收颗粒,X射线吸收颗粒由泡沫聚合物制成,该泡沫聚合物具有4%~5%体积的金属(铅和/或钨),X射线吸收颗粒的平均密度为1.04kg/m3,标准偏差为0.9kg/m3,X射线吸收颗粒的斯托克斯数为0.8201~1.0851随水深的变化而变化;
此外,即使X射线吸收颗粒的平均密度被设计成与微小的密度差相匹配,仍然会导致大量的X射线吸收颗粒迅速下沉到水槽1的底部或漂浮到水面上;为了提高调查区域内X射线吸收颗粒的数量,对X射线吸收颗粒进行了仔细的选择,丢弃漂浮到表面的X射线吸收颗粒和沉到底部的X射线吸收颗粒;
S2、利用高速X射线互补金属氧化物半导体探测器5进行图像捕捉,并对捕捉到的图像进行缩放处理;
通过多通道触发源开关进行同步,并以每秒155帧(fps)的速度捕获图像,曝光时间为6.45毫秒,像素为2×2,分辨率为768×432像素;高速X射线互补金属氧化物半导体探测器5是矩形的,因此探测到的X射线以矩形金字塔的形式排列;因此,靠近X射线源4的物体在X射线图像上比靠近探测器的物体更大;所以,一个成像物体的大小取决于它离探测源有多远;为了在X射线图像中表示正确的波高,对图像上的轴进行缩放,使位于波槽中央的对象在图像中以其实际大小表示。
S3、为了找到准确的表面标高,利用浪高仪6采集波高数据并进行校准;顶视图数据采用对数校准曲线,侧视图数据采用二阶多项式曲线,侧视图相间由图像的最大垂直梯度确定;浪高仪6测量中出现在陡峭区域的缺失通过接近信号的线性插值得到补偿;另外,三次多项式回归用于从超声信号中去除高频噪声。
S4、当孤波向海岸移动时,由于海滩引起的水深变化使波浪变陡,如图2所示,陡波前缘发展成卷舌破碎;为了研究破碎区和冲泻区域,通过改变X射线源4和高速X射线互补金属氧化物半导体探测器5相对于水槽1的位置,重复S2~S3的操作,得到不同的视域。
为了获得X射线吸收颗粒的三维速度,对两个高速X射线互补金属氧化物半导体探测器5的测量值进行耦合。与垂直测量得到的图像相比,从侧面测量得到的图像和X射线吸收颗粒之间的对比度要低得多。为了增强侧边图像的对比度,采用以下图像处理技术:1、背景去除(平均静水图像的减除);2、归一化;3、直方图均衡化;4、屏蔽掉间相(间相是通过最大垂直梯度找到的)。X射线吸收颗粒中心和速度的测定采用DigiFlow软件进行,位置的三维重建通过基本的几何分析,并通过耦合由两个不同的高速X射线互补金属氧化物半导体探测器5捕获的描绘的X射线吸收颗粒即可得到。
本发明能够检查和测量波浪破碎而产生的水体飞溅和腔、气泡的特征能够更详细地研究诸如波浪破裂等强时间依赖性现象,尤其是当研究不透明流动时更加有效。
以上,仅为本申请较佳的具体实施方式,但本申请的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此,本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于X射线技术的波浪实验装置,其特征在于,包括:
水槽(1);
造波机(2),所述造波机(2)安装在所述水槽(1)的一端;
岸滩模型(3),所述岸滩模型(3)设置于所述水槽(1)远离所述造波机(2)的一端内侧;
两个X射线源(4),两个所述X射线源(4)垂直设置,且分别安装在所述水槽(1)实验区域的顶部和侧面;
两个高速X射线互补金属氧化物半导体探测器(5),两个所述高速X射线互补金属氧化物半导体探测器(5)分别与两个所述X射线源(4)对应设置;
浪高仪(6),所述浪高仪(6)设置于所述水槽(1)远离所述岸滩模型(3)的一端,所述浪高仪(6)用于测量波浪数据;
X射线吸收颗粒,所述X射线吸收颗粒放置于所述水槽(1)的水体中。
2.根据权利要求1所述的基于X射线技术的波浪实验装置,其特征在于,还包括准直器,所述准直器用于对所述X射线源(4)产生的X射线进行扩散形成锥形光束。
3.根据权利要求2所述的基于X射线技术的波浪实验装置,其特征在于,还包括多通道触发源开关,所述多通道触发源开关用于同步两个所述高速X射线互补金属氧化物半导体探测器(5)。
4.根据权利要求1所述的基于X射线技术的波浪实验装置,其特征在于,所述X射线吸收颗粒的长度为1mm~2mm,直径为1mm。
5.根据权利要求4所述的基于X射线技术的波浪实验装置,其特征在于,所述X射线吸收颗粒由泡沫聚合物制成,该泡沫聚合物具有4%~5%体积的金属。
6.根据权利要求5所述的基于X射线技术的波浪实验装置,其特征在于,所述金属为铅和/或钨。
7.根据权利要求4所述的基于X射线技术的波浪实验装置,其特征在于,所述X射线吸收颗粒的密度为0.14kg/m3~1.94kg/m3
8.根据权利要求7所述的基于X射线技术的波浪实验装置,其特征在于,所述X射线吸收颗粒的斯托克斯数为0.8201~1.0851。
9.一种基于X射线技术的波浪实验方法,其特征在于,使用权利要求1-8任一项所述的基于X射线技术的波浪实验装置,包括以下步骤:
S1、波浪实验装置的布置;
S2、利用高速X射线互补金属氧化物半导体探测器(5)进行图像捕捉,并对捕捉到的图像进行缩放处理;
S3、利用浪高仪(6)采集波高数据并进行校准;顶视图数据采用对数校准曲线,侧视图数据采用二阶多项式曲线,侧视图相间由图像的最大垂直梯度确定;
S4、改变X射线源(4)和高速X射线互补金属氧化物半导体探测器(5)相对于水槽(1)的位置,重复S2~S3的操作,得到不同的视域。
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