[发明专利]一种测量明渠紊流粘性底层流速的方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于明渠实验技术领域，特别涉及对粒子示踪测速技术的改进。

背景技术

明渠紊流中，床面附近的粘性底层十分重要，是明渠紊流剪切应力与涡量的来源，并在紊动的产生与发展、传热传质等过程中起到关键作用。但是，对这一区域的流动特征进行测量却极其困难，主要的难点在于粘性底层的物理尺度极小，且区域内的流速梯度极大。例如，对于水深为5cm，摩阻雷诺数为1000的明渠紊流，粘性底层厚度约为0.25mm，且流速在这一区域从0迅速增加到断面平均流速的20%。

传统的接触式测量方法，如毕托管、热膜热丝等不仅会干扰流场，而且测量体本身的尺寸都在毫米量级，无法达到测量粘性底层的要求。近年发展成熟的非接触式测量方法，如声学多普勒流速仪、激光多普勒流速仪、粒子成像测速技术(PIV)和粒子示踪测速技术（PTV）等，在常规流动中均能测得准确数据。但声学多普勒流速仪的测量体尺寸在毫米量级，无法高精度测量粘性底层；激光多普勒流速仪所测的水流微团的尺度在最理想条件下约为0.1mm，在0.25mm内至多能得到3个测量点，难以得到粘性底层的流速分布；同时声学多普勒流速仪和激光多普勒流速仪均存在床面反射超声与激光的问题，在距床面1mm内测量精度较低；粒子成像测速技术由于使用判读窗口的平均信息得到测点流速，故在粘性底层这类流速梯度极大的区域存在较大的测量误差。

已有的粒子示踪测速技术的装置包含PTV摄像机、镜头和激光光源，其基本原理是在水体中撒布示踪粒子，示踪粒子跟随水体运动，使用激光光源照亮水体中一个平面的示踪粒子，一般使用分光镜将激光束分为扇形片光，测量区域的片光宽度在20cm以上。采用PTV摄像机拍摄扇形片光照亮的示踪粒子的图像，PTV摄相机的拍摄频率一般小于1000张/s。用其装置测流速的方法是，将水体中一个平面的示踪粒子连续拍摄的前后两张图片首先选取灰度阈值进行二值化，得到粒子图像；常用的灰度阈值确定方法有简单灰度变换法、非零元素取一法、固定阈值法、双固定阈值法（李丹勋等，粒子示踪测速技术，科学出版社，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，这些方法均为一次计算直接得到灰度阈值。得到二值化图片后使用阈值分割法得到每个粒子的区域，然后根据每个粒子的区域得到形心坐标以表示各粒子位置，最后采用匹配几率法（李丹勋等，粒子示踪测速技术，科学出版社，2012年）对两张图片中的粒子位置进行匹配，根据配对粒子的形心差异得到粒子在拍摄两张照片时间间隔内的位移，位移除以时间间隔即得到粒子所在位置水体的运动速度。粒子示踪测速技术能够在高流速梯度的区域得到准确的数据。但是普通粒子示踪测速技术使用常规摄像方法，即镜头与PTV摄相机的距离（像距）在镜头设计的范围内。这种常规摄像方法能保证拍摄得到的粒子图像足够明亮，噪声较小，同时像差最小。但是常规摄像方法所得图片的分辨率低，导致普通PTV方法无法满足粘性底层测量的要求。

发明内容

本发明的目的是为克服已有明渠流速测量方法的不足,提供一种测量明渠紊流粘性底层流速的方法及装置。本发明利用PTV方法的基本原理，使用微距摄像技术得到满足粘性底层测量要求的高分辨率图片，并解决图片信噪比极低、像差大等问题。本发明具有频率高、分辨率高和精度高等优点

本发明的技术特点及有益效果如下:

本发明采用微距摄像技术增大图片的分辨率，针对高分辨率条件下所得图片的各种问题，采用阈值迭代法确定二值化阈值，解决图片信噪比低的问题，设定粒子图像形状指标，剔除像差严重的粒子，采用截断法计算粒子图像形心坐标，避免像差对计算粒子位置的影响。本发明具有测量频率高、精度高、使用方便等优点。

附图说明

图1为本发明装置组成示意图；

图2为本发明中的流速测量方法流程框图；

图3为本发明实施例装置组成示意图；

图4为本发明的实施例粘性底层流速分布。

具体实施方式

以下结合附图及实施例详细说明本发明技术方案中所涉及的各个细节问题。应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解,而对其不起任何限定作用。