[發明專利]一種測量明渠紊流粘性底層流速的方法及裝置

有效

• 申請號: 201410037928.7
• 申請日: 2014-01-26
• 公開（公告）號: CN103808958A
• 公開（公告）日: 2014-05-21
• 發明（設計）人: 鐘強;陳啟剛;李丹勛;王興奎
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01P5/20
• 分類號: G01P5/20
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

技術領域

本發明屬于明渠實驗技術領域，特別涉及對粒子示蹤測速技術的改進。

背景技術

明渠紊流中，床面附近的粘性底層十分重要，是明渠紊流剪切應力與渦量的來源，并在紊動的產生與發展、傳熱傳質等過程中起到關鍵作用。但是，對這一區域的流動特征進行測量卻極其困難，主要的難點在于粘性底層的物理尺度極小，且區域內的流速梯度極大。例如，對于水深為5cm，摩阻雷諾數為1000的明渠紊流，粘性底層厚度約為0.25mm，且流速在這一區域從0迅速增加到斷面平均流速的20%。

傳統的接觸式測量方法，如畢托管、熱膜熱絲等不僅會干擾流場，而且測量體本身的尺寸都在毫米量級，無法達到測量粘性底層的要求。近年發展成熟的非接觸式測量方法，如聲學多普勒流速儀、激光多普勒流速儀、粒子成像測速技術(PIV)和粒子示蹤測速技術（PTV）等，在常規流動中均能測得準確數據。但聲學多普勒流速儀的測量體尺寸在毫米量級，無法高精度測量粘性底層；激光多普勒流速儀所測的水流微團的尺度在最理想條件下約為0.1mm，在0.25mm內至多能得到3個測量點，難以得到粘性底層的流速分布；同時聲學多普勒流速儀和激光多普勒流速儀均存在床面反射超聲與激光的問題，在距床面1mm內測量精度較低；粒子成像測速技術由于使用判讀窗口的平均信息得到測點流速，故在粘性底層這類流速梯度極大的區域存在較大的測量誤差。

已有的粒子示蹤測速技術的裝置包含PTV攝像機、鏡頭和激光光源，其基本原理是在水體中撒布示蹤粒子，示蹤粒子跟隨水體運動，使用激光光源照亮水體中一個平面的示蹤粒子，一般使用分光鏡將激光束分為扇形片光，測量區域的片光寬度在20cm以上。采用PTV攝像機拍攝扇形片光照亮的示蹤粒子的圖像，PTV攝相機的拍攝頻率一般小于1000張/s。用其裝置測流速的方法是，將水體中一個平面的示蹤粒子連續拍攝的前后兩張圖片首先選取灰度閾值進行二值化，得到粒子圖像；常用的灰度閾值確定方法有簡單灰度變換法、非零元素取一法、固定閾值法、雙固定閾值法（李丹勛等，粒子示蹤測速技術，科學出版社，2012年）和大津法（Otsu?N.A?threshold?selection?method?from?gray-level?histograms.Automatica[J],1975,11(285-296):23-27）等，這些方法均為一次計算直接得到灰度閾值。得到二值化圖片后使用閾值分割法得到每個粒子的區域，然后根據每個粒子的區域得到形心坐標以表示各粒子位置，最后采用匹配幾率法（李丹勛等，粒子示蹤測速技術，科學出版社，2012年）對兩張圖片中的粒子位置進行匹配，根據配對粒子的形心差異得到粒子在拍攝兩張照片時間間隔內的位移，位移除以時間間隔即得到粒子所在位置水體的運動速度。粒子示蹤測速技術能夠在高流速梯度的區域得到準確的數據。但是普通粒子示蹤測速技術使用常規攝像方法，即鏡頭與PTV攝相機的距離（像距）在鏡頭設計的范圍內。這種常規攝像方法能保證拍攝得到的粒子圖像足夠明亮，噪聲較小，同時像差最小。但是常規攝像方法所得圖片的分辨率低，導致普通PTV方法無法滿足粘性底層測量的要求。

發明內容

本發明的目的是為克服已有明渠流速測量方法的不足,提供一種測量明渠紊流粘性底層流速的方法及裝置。本發明利用PTV方法的基本原理，使用微距攝像技術得到滿足粘性底層測量要求的高分辨率圖片，并解決圖片信噪比極低、像差大等問題。本發明具有頻率高、分辨率高和精度高等優點

本發明的技術特點及有益效果如下:

本發明采用微距攝像技術增大圖片的分辨率，針對高分辨率條件下所得圖片的各種問題，采用閾值迭代法確定二值化閾值，解決圖片信噪比低的問題，設定粒子圖像形狀指標，剔除像差嚴重的粒子，采用截斷法計算粒子圖像形心坐標，避免像差對計算粒子位置的影響。本發明具有測量頻率高、精度高、使用方便等優點。

附圖說明

圖1為本發明裝置組成示意圖；

圖2為本發明中的流速測量方法流程框圖；

圖3為本發明實施例裝置組成示意圖；

圖4為本發明的實施例粘性底層流速分布。

具體實施方式

以下結合附圖及實施例詳細說明本發明技術方案中所涉及的各個細節問題。應指出的是，所描述的實施例僅旨在便于對本發明的理解,而對其不起任何限定作用。