CN204065126U - 一种岸滩表面流速粒子追踪测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种岸滩表面流速粒子追踪测量系统，包括一水槽，水槽中划分为主流槽和模拟岸滩两部分；取模拟岸滩一段长度的上表面，作为刻度区，在所述刻度区沿横、纵两方向都画有刻度线；带有不同色彩的多颗轻质粒子，在测量前静置于起始刻度线上，在水槽中冲入水后粒子随水流流动；在水槽的上方架设有一摄像机和一光源，摄像机的拍摄范围覆盖刻度区，摄像机与计算机相连，当水槽中有水流动时，摄像机连续拍摄所述粒子的运动状态；水槽的进水端连接供水装置。本实用新型以水流中的粒子为研究对象，模拟岸滩表面流体的动态状况，获得整个流体表面流速的变化，系统测量速度快、测量精度高。

Description

一种岸滩表面流速粒子追踪测量系统

技术领域

本实用新型涉及水工物理模型试验领域，尤其涉及一种岸滩表面流速粒子追踪测量系统。 

背景技术

水流表面流速是水体运动的主要特征参量，是水工物理模型试验观测的基础试验数据之一。国内外学者对应用于水工物理模型表面流速测量的方法进行了广泛地研究，主要可以分为接触式和非接触式两类。 

其中，接触式包括毕托管流速测量法、旋桨式流速测量法、热线流速测量法和电磁流速测量法等。由于岸滩水体水深浅，边界影响大，流态复杂，因而传统的接触式测量方法受安装条件的限制，很难达到试验要求。 

非接触式主要有粒子图像测速技术(PIV)、光电非接触式测量技术等。而粒子图像测速技术(PIV)存在以下方面的技术问题： 

1、大多PIV产品是基于快速Fourier变换的互相关算法，仅适用于粒子浓度高且粒子图像在被删区不重叠的测量； 

2、由于水体和岸滩的相互作用，需要涉及到近岸边界处的速度矢量识别； 

3、由于激光能量较高，在固体边界上不可避免会产生强烈的反光，这给按粒子成像来获得速度的互相关算法的使用造成了极大的困难； 

4、现有的PIV测量技术是以充满运动液体质点的空间流场为对象，研究各时刻质点在流场中的变化规律，该方法很难有效地考察水体和污染物在岸滩上的传播特点及滩槽水体的交换。 

实用新型内容

本实用新型所要解决的就是：提供一种岸滩表面流速粒子追踪测量系统，以克服现有技术适用性低和测量精度低、测量速度慢的技术问题。 

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种岸滩表面流速粒子追踪测量系统，包括一水槽，水槽中划分为主流槽和模拟岸滩两部分；取模拟岸滩一段长度的上表面，作为刻度区，在所述刻度区沿横、纵两方向都画有刻度线；带有不同色彩的多颗轻质粒子，在测量前静置于起始刻度线上，在水槽中冲入水后粒子随水流流动；在水槽的上方架设有一摄像机和一光源，摄像机的拍摄范围覆盖刻度区，摄像机与计算机相连，当水槽中有水流动时，摄像机连续拍摄所述粒子的运动状态；水槽的进水端连接供水 装置。 

进一步讲，所述模拟岸滩在主流槽的侧面设置(一面或两面)，与主流槽之间形成台阶形式。 

进一步讲，在所述主流槽的底表面，对应于模拟岸滩处的刻度区位置，也画有同样的刻度线。 

进一步讲，所述粒子为磁性粒子，对应的在水槽的下游或出口端，设置有吸磁装置，其他地方均没有。 

所述粒子共有7颗，分为赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种颜色，通过计算7颗粒子的平均速度，作为岸滩表面的流速。 

进一步讲，供水装置包括水泵和地下水库，泵的进口端与地下水库连接，水泵的出口端设置在水槽的进水口处，水槽的出口与地下水库连接，水库中的水在其中形成循环流动。 

本实用新型所提供的一种岸滩表面流速粒子追踪测量系统，有如下有益效果：本实用新型所提供的系统是以水流中的粒子为研究对象，既可以用于低浓度粒子图像，也可以适用高浓度粒子图像，适用性强。高速摄像机拍摄到动态粒子图像传输给计算机，获得整个流体表面流速的变化，采用本实用新型所提供的系统，测量速度快、测量精度高。本实用新型提供的系统，结构简单，易操作，且成本低。 

附图说明

图1为本实用新型系统的整体结构示意图。 

1-水槽，11-主流槽，12-模拟岸滩，13-刻度线，2-轻质粒子，3-摄像机，4-光源，5-采集卡，6-计算机，7-吸磁装置。 

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例，对本实用新型技术方案作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型保护的范围。 

本实施例提供了一种岸滩表面流速粒子追踪测量系统，如图1所示，该系统设置了一水槽1，水槽模拟自然界中水流与岸滩的构造，分为了主流槽11和模拟岸滩12两部分，其中模拟岸滩是在主流槽的一侧或两侧，以高于主流槽的台阶方式展现，即主流槽与岸滩之间形成台阶。 

在模拟岸滩12上表面的一段长度上，沿横、纵两方向都画有刻度线13。较佳的是，在对应该岸滩处的主流槽11的底表面也画有同样的刻度线。设置刻度线的原因是：要在此岸滩处放置轻质粒子2，刻度线是用于测量流动粒子的移动距离的，如果一旦 粒子从岸滩上掉落到主流槽中，也一样可以测量到。 

供水装置包括水泵和地下水库，在水槽1的一端，设置有水泵，水泵的出口端设置在水槽的进水口处，泵的进口端与地下水库连接，水槽的出口与地下水库连接(图中水泵和地下水库均没有画出)。水库中的水经过水泵泵入到水槽中，在水槽中流过，其中包括了在主流槽中和在模拟岸滩上会以不同的速度流动(因为水位高度不同，可能造成流速不同；另外上层水流容易发生紊流，下层水流相对比较平稳，这也是测量岸滩表面流速的目的)。水槽的出水进入地下水库，再从地下水库继续泵入到水槽，如此形成循环流动，造成连续水流。水的流速通过水泵控制，上述水泵可以设置一台，也可以设置多台。 

在水槽1的上方，较佳是对着有刻度的水槽的上方，架设有一高速摄像机3，和一强光源4，摄像机的拍摄范围应能覆盖到刻度区的首尾刻度线，强光源是为了更好的照明，照清楚水底移动的粒子2。高速摄像机3采集到的图像通过采集卡5存储，然后发送给后台计算机6，或者直接传输给计算机。 

为了便于回收粒子2，将粒子选择为磁性粒子(此时必须保证水槽不能用吸磁材料制作)。在水槽1的下游或出口端，在槽壁上设置有磁铁或其他吸磁装置7。 

为了更好的模拟水流状态，本实用新型中优选7个具有不同色彩的磁性粒子模拟测试岸滩表面的流速，标记为不同个标号。选取7个是因为自然界有赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种基本颜色。选择多个粒子测试的目的是可以通过多个粒子的测量结果折合算出流速的平均值，这样可以更客观的测得流速。本实用新型中选择的粒子较佳直径在3-10mm。 

使用本系统的测量方法是：让强光源入射，摄像机打开就位；预先在水槽中岸滩表面放置好粒子，1～7颗，不同颜色，每一颗都放置在刻度区的起始刻度线上。然后向水槽中放水，粒子随着水流向前流动。摄像机连续拍摄，直至所有粒子越过刻度区的末端刻度线。摄像机将拍摄的所有图片发送到计算机拟合，拟合出每个粒子的运动轨迹。根据拍摄的时间，和刻度区的长度，就可以计算出每个粒子的速度。如果有多个粒子，对多个粒子的速度求平均值，就可以模拟出岸滩表面的流速。 

本实用新型以每个粒子为研究对象模拟岸滩表面的质点运动，记录该质点在运动过程中物理量随时间变化规律，综合所有质点的运动，能反演整个流体表面流速的变化。避免了现有技术中，由于以充满整个空间流场的质点为研究对象，而不能有效地描述流体表面流速变化的缺陷，提高了整个测量精度和测量效率，可以进一步研究水流在岸滩上的传播特点及在滩槽水体间的交换。 

Claims (6)

1.一种岸滩表面流速粒子追踪测量系统，其特征在于：包括一水槽，水槽中划分为主流槽和模拟岸滩两部分；

取模拟岸滩一段长度的上表面，作为刻度区，在所述刻度区沿横、纵两方向都画有刻度线；

带有不同色彩的多颗轻质粒子，在测量前静置于起始刻度线上，在水槽中冲入水后粒子随水流流动；

在水槽的上方架设有一摄像机和一光源，摄像机的拍摄范围覆盖刻度区，摄像机与计算机相连，当水槽中有水流动时，摄像机连续拍摄所述粒子的运动状态；

水槽的进水端连接供水装置。

2.根据权利要求1所述的岸滩表面流速粒子追踪测量系统，其特征在于：所述模拟岸滩在主流槽的侧面设置，与主流槽之间形成台阶形式。

3.根据权利要求1或2所述的岸滩表面流速粒子追踪测量系统，其特征在于：在所述主流槽的底表面，对应于模拟岸滩处的刻度区位置，也画有同样的刻度线。

4.根据权利要求1所述的岸滩表面流速粒子追踪测量系统，其特征在于：所述粒子为磁性粒子，对应的在水槽的下游或出口端，设置有吸磁装置，其他地方均没有。

5.根据权利要求1或4所述的岸滩表面流速粒子追踪测量系统，其特征在于：所述粒子共有7颗，分为赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种颜色，通过计算7颗粒子的平均速度，作为岸滩表面的流速。

6.根据权利要求1所述的岸滩表面流速粒子追踪测量系统，其特征在于：所述供水装置包括水泵和地下水库，泵的进口端与地下水库连接，水泵的出口端设置在水槽的进水口处，水槽的出口与地下水库连接，水库中的水在其中形成循环流动。