[发明专利]一种异重流浓度的图像处理分析方法

说明书

本发明公开了一种异重流浓度的图像处理分析方法，包括以下步骤：步骤1配制10组等浓度差的含染料盐水并用相机拍摄记录，利用MATLAB获取拍摄图像实验校准值；步骤2根据步骤1得到的10组实验校准值对水槽各个像素点的浓度值与灰度值进行校准曲线拟合；步骤3根据步骤2得出的实验校准曲线得出实验各个时刻的浓度分布图。步骤4根据步骤3得到的浓度分布结果根据质量守恒进行校正。本发明具有操作简单、可行性强、成本低廉等显著优点；本发明有效解决了光线以及背景环境对异重流浓度分布计算的误差影响，增强了各组实验在浓度分布方面的对比性，增加校正步骤提高结果精度，分析结果可靠；对于本发明的图像分析处理方法，适用范围广泛，持续入流式或开闸式异重流的平坡或斜坡运动皆可应用。

技术领域

本发明属于异重流研究领域，具体涉及开闸式盐水异重流运动过程中的浓度分布计算方法。

背景技术

异重流是一种由两种流体在接触时受密度差异驱动在其交界面流动掺混的物理性流动，导致这种密度差异的原因有很多，诸如温度差、溶解物质或悬浮颗粒含量不同引起的密度差。

异重流的产生可能是自然发生，也可能是人为干预的结果。例如，在大气中，雷暴流河海风面是受温度差异驱动，空中的雪崩、火山爆发以及沙尘暴的火山碎屑流的产生，则是悬浮颗粒的密度梯度在起主要作用。异重流与工业安全和环境保护等工程科学有关。将污染物排放到河流中，在海洋中的溢油和海水淡化工厂的流出，是一些人为的异重流的例子，且常会对环境造成负面影响。

对异重流的动力学研究，特别是其混合过程和夹杂物的研究，仍然是当今研究的热点。厘清异重流在运动过程中与环境水体的掺混程度，即异重流实时浓度分布，可为对工厂排污和海底管道溢油等问题提出有效控制措施提供科学参考。

目前为止，国内外已有不少学者对异重流演化过程中浓度变化进行研究分析，但在国内，关于异重流与环境水体掺混时的浓度分布仍没有一个具体的方法。

发明内容

为了弥补现有技术中的不足，本发明旨在提供一种有效、准确、可行的适用于异重流运动过程中与环境水体混合时的浓度分布图像分析方法。

本发明提出的图像分析技术是一种简单的基于光反射的方法，用于估算异重流的瞬时密度场。在分析的图像中，每一个像素都得到了校准过程和密度估算，在一定程度上规避了光线不均对图像灰度值的影响，这一过程的结果通过实验水槽的整体盐分的质量守恒原理得到了验证。单个像素的密度评估误差在8%以下。水槽中盐分总质量在实验和数据处理之后间的相对偏差的数量级在0.1%。由此得到的密度图是有助于异重流水动力学研究，诸如异重流头部位置和速度，异重流动力学和混合过程，特别是环境流体进入异重流的过程等。

为解决上述技术问题，本发明包括以下步骤：

步骤1：浓度标定

配制10组等浓度差的盐水，在同等条件下拍摄10组等体积含染料盐水在实验水槽中的图像，得出实验校准值。

步骤2：实验校准曲线拟合

根据步骤1的10组实验校准值拟合出浓度（密度）值和灰度值的关系曲线，即实验校准曲线。

步骤3：绘制异重流浓度分布图（密度场）

根据步骤2得出的实验校准值拟合曲线按需绘制不同时刻的异重流浓度分布图（密度场）。

步骤4：根据质量守恒定律进行校正

根据步骤3得到的浓度分布结果计算其所含溶质总量，将起始投入量与之相比得到校正系数k，所有像素点浓度乘以校正系数k得到最终结果。

作为优选，所述步骤1中的同等条件包括CCD相机位置、镜头角度、环境水体水深、背景环境、光线条件等除盐水浓度以外的一切因素。