[发明专利]一种基于PIV的鱼体压力场测量装置与方法

说明书

本发明提供一种基于PIV的鱼体压力场的测量装置，包括相机、电脑、激光器供电器、激光发射器、透镜、压力信号接收器、玻璃水槽、压力传感器和PIV示踪粒子，相机输出端和电脑输入端连接；激光器供电器输出端和激光发射器输入端连接；激光发射器激光发射方向上设置有透镜；压力传感器输出端和压力信号接收器输入端连接；玻璃水槽正上方设置有相机；玻璃水槽两侧对称布置有激光发射器；玻璃水槽中均匀布散有PIV示踪粒子。本发明还涉及一种基于PIV的鱼体压力场的测量方法。本发明能测量活鱼的压力场，真实反映活鱼运动时周边的压力数据，并能实现整个的活鱼周围无限个点的压力场的测量。

技术领域

本发明涉及鱼类测量装置，具体涉及一种基于PIV的鱼体压力场测量装置与方法。

技术背景

随着水力发电的大力发展，大坝的修建破坏了河流原有的生态系统，对其中洄游性鱼类的生长和繁殖有着不利的影响，因此，鱼道修建已经成为鱼类上溯必不可少的结构。而往往某一特定鱼种的偏好水力因子是修建鱼道时所要考虑的主要因素之一。研究表明鱼鳍的摆动产生的压力场是推动鱼体的运动重要因素，研究鱼体受力对鱼道的结构优化有着巨大的作用。因此研究鱼类周身的压力场对洄游性鱼类物种多样性的保护具有重大的意义。

鱼体在水下的受力情况往往无法直接测量的，传统的测压装置例如压力传感器、测压管等，仅能提供单点、多点非瞬时的测量，无法做到对整个鱼体周身的压力场的监测。目前对鱼体压力场的测量还在起步阶段，实验中往往依托于仿生鱼，以便于人为控制。但仿生鱼的有限的简单机械行为较难客观反映实际鱼体的运动情况，获得的压力场并不全面。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于目前的对鱼体压力场的研究中，往往只是针对仿生鱼，没有建立真实鱼体压力场测量机制，且目前的研究装置结构过于单一，不能完整反映鱼体在运动时的压力场信息。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于PIV的鱼体压力场的测量装置，包括相机、电脑、激光器供电器、激光发射器、透镜、压力信号接收器、玻璃水槽、压力传感器、PIV示踪粒子，相机输出端和电脑输入端连接；激光器供电器输出端和激光发射器输入端连接；激光发射器激光发射方向上设置有透镜；压力传感器输出端和压力信号接收器输入端连接；玻璃水槽正上方设置有相机；玻璃水槽两侧对称布置有激光发射器；玻璃水槽中均匀布散有PIV示踪粒子。所述的透镜为D型柱透镜；所述的相机为CCD高速相机。

所述的压力传感器为2-5对，优选地，采用2对压力传感器，按一定规率布置于玻璃水槽的四个角。所述的激光发射器和透镜为1-6对，优选地，采用1对激光发射器和透镜。

基于PIV的鱼体压力场测量装置的测量方法，具体步骤如下：

步骤一：利用MATLAB软件的PIVlab工具对相机获取的图像进行互相关分析，获取整个水槽的速度场；

步骤二：基于速度场数据，利用离散N-S方程获取各单元网格界面压差。

步骤三：基于压力传感器的压力数据，计算各单元网格界面压力值，进而取单元网格各界面平均值得到网格中心的压力值。

步骤二中计算各单元网格界面压差的公式为

其中，μ为流体的动力粘度，ρ为流体密度，l为控制体积边长，u_A、u_B、u_C、u_D、u_E分别为控制体