[发明专利]自由界面附近层析粒子图像测速方法

说明书

本发明公开了一种自由界面附近层析粒子图像测速方法，通过在自由界面附近布置标记物用于进行后续界面位置识别，布置示踪粒子用于进行后续速度场计算，然后在粒子图像中区分界面标记物和示踪粒子后，对原粒子图像进行第一图像预处理以得到用于界面识别的预处理图像，对原粒子图像进行第二图像预处理以得到用于计算速度场的预处理图像，最后基于用于界面识别的预处理图像识别界面位置，基于用于计算速度场的预处理图像进行速度场计算，消除了粒子图像中示踪粒子对于界面位置识别结果的干扰和界面标记物对于速度场计算结果的干扰，不仅可以获取准确度较高的速度测量结果，同时可以准确地识别自由界面位置，尤其适用于气液界面或液液界面的测量。

技术领域

本发明涉及粒子图像测速技术领域，特别地，涉及一种自由界面附近层析粒子图像测速方法。

背景技术

层析粒子图像测速(tomographic PIV)是一种近年来发展起来的PIV技术。2006年，Elsinga公布了第一例层析粒子图像测速实验结果(Elsinga G E,van Oudheusden B Wand Scarano F 2006a Experimental assessment of tomographic-PIV accuracy 13thInt.Symp.on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics(Lisbon,Portugal))。所谓层析粒子图像测速，是指通过由若干相机(一般三部以上)所组成的系统获得一个有体积的区域内三维速度场的测量方法，测量区域需要体光源照明，相较于传统粒子图像测速(PIV)技术，可以在测量维度上实现从二维到三维的进步。

而在自由界面附近区域实施层析粒子图像测速，相较于在非近壁区域实施层析粒子图像测速，该技术将会面临以下问题：界面位置确定、界面对照明光的反射和折射、界面附近缺少粒子所导致速度场计算结果错误。由于以上原因，现有的层析粒子图像测速方法很难适用于自由界面附近的粒子图像测速。

Sunghyuk Im1,Young Jin Jeon2,Hyung Jin Sung1,*Tomo-PIV measurement offlow around an arbitrarily moving bodywith surface reconstruction公开了一种方法，其在可以变形的物体上印制花纹，通过图样纹理的变化得到相关测量时刻物体表面的位置。该方法的局限性在于物体必须是表面预先印制图案的固体，在实验时，物体表面的图案有可能难以与示踪粒子相区分，以至于降低粒子图质量，导致界面识别结果准确度较差，并且，该方法对界面位置算法的要求极高，不适于推广。

另一种方法是通过层析粒子图像测速计算结果的参数(如互相关峰值)来判断界面位置。一般情况下由于相较于被测量速度一侧，界面另一侧实际上没有示踪粒子存在，故在重构所得到的空间分布中，界面另一侧信号强度和信噪比都较低，故由此进行的互相关中相关系数应比有粒子的一侧低。由于没有直接定位界面位置的标记物，该方法测量准确度较差，该方法一般用于判断变化率较小的界面，但在界面变化率较大或界面有反射时效果不良，无法适用于自由界面。

发明内容

本发明提供了一种自由界面附近层析粒子图像测速方法，以解决现有的层析粒子图像测速方法很难适用于自由界面测量的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种自由界面附近层析粒子图像测速方法，包括以下步骤：

步骤S1：布置至少三台相机和照明光源，并对相机的位置进行标定，布置界面标记物和播撒示踪粒子后利用相机拍摄得到粒子图像；

步骤S2：对粒子图像进行预处理：在粒子图像中区分界面标记物和示踪粒子并得到界面标记物在粒子图像中的分布和相邻两帧图像之间界面标记物的移动关系，对原粒子图像进行第一图像预处理以得到用于界面识别的预处理图像，对原粒子图像进行第二图像预处理以得到用于计算速度场的预处理图像；

步骤S3：基于用于界面识别的预处理图像识别界面位置；