[发明专利]基于2维PIV的旋流器内部流场测量方法和系统

说明书

本发明公开了一种基于2维PIV的旋流器内部流场测量方法和系统。本发明采取调焦法和位移法可实现“切片”测量旋流器内部流场，通过对不同Y坐标值的XZ截面和不同X坐标值的YZ截面的测量得出旋流器内部流场运动规律。位移法的测量精度和测量速度均优于调焦法，且位移法的测量范围始终不变。通过对采集图像处理最终得到矢量统计图，即平均流速矢量图。“切片法”可得到XZ截面与YZ截面交线上X、Y、Z方向的速度，还可进行二维图像的三维重构。

技术领域

本发明涉及粒子图像测速技术，具体为一种基于2维PIV的旋流器内部流场测量方法。

背景技术

PIV(Particle Image Velocimetry)即粒子图像测速技术，是一种非介入式全场测速技术，克服了单点测量技术的缺点，可实现全流场的瞬态无干扰测量。PIV经过多年的发展，已成为一种成功适用于湍流定性和定量研究的工具，是现代流场测速的主流技术手段。PIV技术在圆管内部流场的测量中具有广泛应用：利用PIV技术，可以对圆管内的水流或圆管内置不同形状物体时的管道内水流及圆管中不同进流方式产生的螺旋流进行测量，分析横、纵截面内水流的流场结构和流动特点。

PIV技术发展虽然较为成熟，但是该PIV技术在具体应用时需要大量试验参数的适应性设置，目前并未应用于旋流器内部流场测量和数据处理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于2维PIV的旋流器内部流场测量方法，另一目的是提供基于2维PIV的旋流器内部流场测量系统，以弥补现有技术的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于2维PIV的旋流器内部流场测量系统，包括：图像记录系统、片光源照明系统、同步器、计算机工作站、坐标架及示踪粒子。

进一步的，所述图像记录系统包括相机，该相机内置图像传感器，采用数据处理软件实现对测量过程中的控制、标定、图像采集、处理、分析及导出。

进一步的，所述片光源照明系统采用激光器，包含电动光学衰减器，并通过入口优化模块使片光更均匀。

进一步的，在实验过程中，所述高速相机与激光器使用不同坐标架，使得激光可均匀照亮相机拍摄的平面。

进一步的，测量时，在流场中投放与水密度接近、与水流运动跟随性好、在水中分布均匀的示踪粒子。

旋流器是在局部圆管内安放具有一定扭转角的导叶，圆管和导叶均由有机玻璃制作。进行测量的区域为导叶后部，以圆管A-A截面的圆心为坐标系原点，圆管轴线为z轴，且以水流方向为正(竖直方向为y轴，以三维坐标系的右手定则确定x轴方向)。为全面准确地测量旋流器内部流场及后续进行二维平面的三维重构，采用“切片法”：在同一测量区域拍摄多个XZ和YZ截面。

一种基于2维PIV的旋流器内部流场测量方法，包括如下步骤：

(1)进行标定

以拍摄XZ截面为例(在拍摄YZ截面时只需调换激光与相机的位置)，标定的作用在于给定XZ截面坐标系和确定比例因子；在圆管最上方设有黑色圆点，标定时选取该点的圆心为原点，因该点的投影在每一XZ截面中线上，则拍摄图片处理得到的矢量图以中线为z轴，黑点的投影为原点，如此可便于后续取值；所有XZ截面的原点在同一条直线上；

(2)图像采集：利用调焦法采集图像时，对于距离相机较远的测量截面效果不佳，为进一步提高图像采集效率和质量，采用位移法；

(3)PIV图像处理

原始图片依次用计算像素最大最小值得到背景，图像运算去除背景，定义区域划分出截面所在区域，自适应性PIV得出初步矢量图，矢量区域得到截面所在区域的矢量图、UV散点图取值得到剔除小概率数据后的矢量图；