[发明专利]一种非接触式分层流场测量方法

说明书

本发明公开了一种非接触式分层流场测量方法，包括步骤：通过相机拍摄各界面上的示踪粒子的率定图像；对图像进行处理并根据粒子的亮度和相应界面位置的对应关系，制作率定曲线；根据粒子亮度区分各水层；在上游水中抛洒示踪粒子、获取图像并处理，根据上述亮度提取到图像IMG1在各水层中的图像；获取T+Δt时刻的图像，对图像进行处理，根据亮度提取到图像IMG2在各水层中的图像；将图像IMG1提取到的图像与图像IMG2提取到的图像进行计算得到该水层中其它示踪粒子的流速，遍历位移计算过程以得到其他水层中示踪粒子的流速。本发明实现了多个水层、多测点的流速同步测量，操作简单，测量高效，结果准确。

技术领域

本发明属于水利工程领域，尤其涉及一种非接触式分层流场测量方法。

背景技术

水流的流动速度是流场最为基本的物理量，对流动特征的认识很大程度上取决于速度场的获得，流速测量能够为流体动力学研究提供重要的实验数据。目前，流场速度测量主要分为接触式与非接触式两种方式。

接触式测量主要有机械法、皮托管法和多普勒法等方式，非接触式测量主要有粒子图像法。在实际应用中常用的仪器设备有：旋桨流速仪、皮托管、差压传感器、超声波/激光多普勒流速仪等，上述仪器均属于直接接触式测量仪器，在进行流速测量时，流速仪的传感器必须置于被测点位，对被测流场干扰较大，影响测量的准确度。

非接触式测量不影响流场，具有较高的测量精度。粒子图像测速仪（PIV）属于非接触式测量仪器，是利用示踪粒子反映流场表面流动速度的测量技术，PIV要求示踪粒子的流动跟随性好，粒子的密度尽量等于流体的密度，粒子的直径要在能够被成像系统拍摄到清晰图像的前提下尽可能的小。

目前使用粒子图像测速主要有两种：（1）使用直径厘米级的粒子，浮于水流表面，测量表面流场，测量范围较大，可达数十米；（2）使用激光面源，测量内部某个面的流场，适用于实验室透明水槽试验测量，测量范围在厘米级。两种方法的缺点是每次拍摄图像是某一个面的图像，一次只能测量水体一个面的流场，无法实现沿拍摄方向的多层流场测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非接触式分层流场测量方法，旨在解决现有非接触式流场测量方法中粒子图像测速所存在的无法实现沿拍摄方向的多层流场测量的问题。

本发明是这样实现的，一种非接触式分层流场测量方法，该方法用于测量水槽沿水深方向的流速分布，该方法具体包括以下步骤：

（1）沿水深方向将水槽的水流设定为若干水层，相邻水层之间的接触面为界面；将示踪粒子逐一放置在各界面上，在水槽上且在垂直水平方向上固定相机，通过该相机拍摄各界面上的示踪粒子的率定图像；

（2）对所得各图像进行灰度处理以及相同参数处理后，根据粒子的亮度和相应界面位置的对应关系，制作率定曲线；

（3）根据粒子亮度区分各水层；

（4）在上游水中抛洒示踪粒子，混合均匀，通过所述相机拍摄T时刻的图像IMG1，按照所述相同参数对该图像进行处理后，根据步骤（3）亮度提取到图像IMG1在各水层中的图像；

（5）通过所述相机拍摄T+Δt时刻的图像，按照所述相同参数对该图像进行处理后，根据步骤（3）亮度提取到图像IMG2在各水层中的图像；

（6）选定同一水层时，将图像IMG1提取到的图像与图像IMG2提取到的图像进行位移计算，得到该水层中其它示踪粒子的流速；遍历所述位移计算过程以得到其他水层中示踪粒子的流速。

优选地，在步骤（1）中，所述水槽底部为低明度的深灰色或黑色；所述示踪粒子为直径1cm的白色球体，其密度与水接近且可悬浮于水中。

优选地，在步骤（1）中，所述示踪粒子使用防水荧光材料涂装。