[实用新型]水流表面流场采集系统

说明书

本实用新型水力模型试验的技术领域，公开了水流表面流场采集系统，包括单反相机、示踪粒子和所要采集的水流表面流场的模型，单反相机设置在模型的上方，单反相机的镜头正朝向模型的水流表面布置，示踪粒子分布在模型的水流的表面且跟随水流自由移动。在试验时，将示踪粒子播撒在水流的表面，同时单反相机对示踪粒子进行连续、长时间的曝光采集，从而跟踪叠加不同时刻示踪粒子所在的位置，并将其反应到同一张图片上，从而显示每颗示踪粒子在曝光采集这段时间的运动轨迹。该运动轨迹即为曝光采集这段时间内水流运动的轨迹路线。这样，提高了水流表面流场采集试验的效率，有效避免后期处理导致误差，直观的反应了水流表面流动轨迹。

技术领域

本实用新型水力模型试验的技术领域，尤其是水流表面流场采集系统。

背景技术

模型试验是科学试验中一项重要的研究方法与专门技术，应用甚广。水力学物理模型试验是运用河流动力学知识，根据水流和泥沙运动力学相似原理，模拟与原型相似的边界条件和动力学条件，研究河流在天然河流情况下或在有水工建筑物的情况下水流结构、河床演变过程和工程方案效果的一种方法。

流体运动所占据的空间称为流场。为了研究水流表面流场及其变化，水力模型试验中，在水流中加入可漂浮于水面的反光粒子，对水流进行示踪，模拟出水流流场形态，通过不同的技术将其可视化。

目前，水力模型试验中，在水流表面播撒示踪粒子，通过单个或多个摄像头覆盖所要观测的流场范围，设置好拍摄快门时长和间隔时间，利用摄像头拍摄照片(一般不超过5张)，分析相邻时刻(T1、T2、T3、T4、T5)拍摄的照片，对画面中示踪粒子A、B……在不同时刻的位置进行配对，将某一示踪粒子不同时刻的位置串联起来，作为其运动路径，计算相邻时刻(如T1-T2、T2-T3、T3-T4、 T4-T5)或者间隔时刻(T1-T3、T2-T4、T3-T5)的运动要素(流速、流向)，通过均化处理，最后用箭头形式表达出T1时刻水流表面流场形态。

但是，上述的方法存在以下缺点：

(1)摄像头采集数据的时间很短，由于摄像头的质量、性能等问题，一般采集时长为0.04秒，然后间隔一段时长后(一般为0～0.16秒)拍摄下一张图片，最后对多张图片进行叠加，计算示踪粒子的路径。由于水流表面分布众多示踪粒子，在进行叠加处理的时候，会混淆相邻的示踪粒子，尤其是流速较大、示踪粒子较多的时候，T1时刻(第一张照片)的A1示踪粒子，与T2时刻第二张照片进行匹配时，并没有找到对应的A2示踪粒子，而是匹配到B2示踪粒子，导致最终形成的表面流态失真，与原型不相似。

(2)只能对叠加的运动轨迹进行均化处理，表达某一时刻(如T1时刻) 的运动参数(流速和流向)，不能表达T1-T5时间段的流动轨迹。

(3)叠加概化处理后，对流场边界范围内进行横向、纵向的均化布置，对实际采集的数据进行插值处理，不是示踪粒子原有的真实流态重现。

(4)后处理耗时长，效率低。需要大量的筛选流程，并且需人工判断、删减不合理的数据。

参照图1所示，通过CCD技术将多张照片叠加时，示踪粒子A、B紧挨在一起，T1-T4时刻，示踪粒子的实际位置分别为A1-A4、B1-B4，但是在T1、T2时刻的照片匹配时，A1没有正确捕捉到A2，而是捕捉到B2，导致示踪粒子A的运动轨迹变为A1-B2-B3-B4，参照图2所示，均化处理后的流场表达变为Va。

参照图3所示，为多个摄像头采集水流示踪粒子运动，均化处理合成后的表面流场。

实用新型内容

本实用新型提供的水流表面流场采集系统，旨在解决现有技术中，摄像头采集数据的时间短、采集到的照片在进行叠加处理的时候，容易混淆相邻的示踪粒子，导致出现迹线错误，不能真实反映水流的表面流场的问题。