DPIV技术在模型黄河中的应用.docVIP

DPIV技术在模型黄河中的应用 　　摘 要 首先根据模型黄河的特点，阐述了DPIV技术测量流速的基本原理。然后，讲解了作者利用DPIV技术，设计的模型黄河流速测量系统的组成。最后，针对在模型实验中，具体的数据进行了分析，结果表明DPIV技术能快速有效地测量出表面流场的速度矢量分布，精度高、鲁棒性好，符合大型河工模型表面流场的速度测量要求。 　　关键词 DPIV；数字图像处理；模型黄河 　　中图分类号：TP31 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）18-0098-02 　　近年来，国家对水利工程的投入逐渐增多，建立了大量的河工模型。出于研究黄河的目的，国家建立“模型黄河”河工模型。它是自然黄河的模型再现，探索自然界中水流、泥沙运动的基本规律和潜在机理，为自然黄河的治理开发方案提供技术支撑。 　　在河工模型试验中，模型中流场测量的是一项重要的内容。“模型黄河”模拟自然黄河，在气候环境的影响下，河道水纹变化剧烈，岸线形状复杂，利用DPIV测量黄河模型的流速变化情况，成为行之有效的技术手段。 　　1 DPIV技术原理 　　数字粒子图像测速（Digital Particle Image Velocimetry，DPIV）技术是一种非接触、无扰动的高精度测速技术。该技术是一般利用单次或多次曝光的底片或CCD、COMS摄像机记录的序列图像，经过图像差目标检测，运动目标跟踪等处理，可以实现复杂环境下被测流体的全流场检测。一般的流场测量设备要求把测量传感器一起放入流场中，这样势必对流场产生一定影响。DPIV很好的解决了这个问题，它是“看”场，而不是“摸”场。另外PIV技术具有很高的测量精度和测量范围，而且其开发成本随着计算机性能的提供，快速降低。基于PIV技术的上述优点，当前，其已成为流体力学测量研究中的热门课题。 　　DPIV通过在流场中布撒大量与流体介质颜色相区别、且随动型的示踪粒子，运用平面光照射这些流动的微粒，摄像机对所测流场连续拍照。其最大检测粒子速度，取决于拍摄流场的尺寸与相邻图像间的时间差。例如流场尺寸，相邻两副图像间的时间差83 ms，则其最小检测粒子速度，取决于检测目标的最小尺寸与对比有哪些信誉好的足球投注网站图片的数量。例如在目标检测中，检测的最小粒子运动尺寸是3 mm，对比有哪些信誉好的足球投注网站20副图像，则摄像机拍摄的图像能在一瞬间记录下大量空间点上位置信息，通过对比不同的图片，有效的识别运动中的示踪粒子空间位置，便可获得粒子的速度矢量信息。若粒子的数量足够多，便可记录下所需精度的二维流场信息。图1为DPIV测量流场示意图。 　　1）模型表面投放示踪粒子。实验中采用的粒子为直径轻质塑料泡沫颗粒。考虑到测量流线的数目，以及避免粒子相互干扰的要求，一般一次在预测河段上游投放枚示踪粒子。如预测特定区域的流场，也可直接在对应区域投放粒子。 　　2）拍摄原始图像序列。系统使用的300万像素网络高清COMS摄像机，采用近景、广角拍照的方法，拍摄的测量区域。将对每个像素8位量化后的成帧原始图像，利用千兆局域网，以每秒12帧速率将图像数据传入计算机图形工作站。 　　3）图像数据转换、显示。计算机对原始图像逐帧进行Bayer运算，得到伪彩色图形。在对镜头拍摄产生的形变标定，坏点消除后，在控制程序界面显示实时视频图像。 　　4）识别目标。对彩色图像进行灰度转换，并采用图像差的运动检测方法。在对差分结果图像进行核为的高斯平滑后，采用最优阈值分割的方法对图像进行二值化。对图像中的连通域进行有哪些信誉好的足球投注网站，依照粒子的形态学特征，识别有效目标。 　　5）目标匹配，计算流速矢量。对多幅图像中的粒子按照最小相关数的准则，对粒子进行最优化匹配，从而获取粒子的运动轨迹，计算出粒子的流速矢量数据。 　　6）绘制流场图像。每次测量结束，均将流场数据绘制在采集到的图像中，以bmp格式存储在硬盘中。为便于分析，系统中加入办公自动化功能，流场数据存入Excel文件。 　　3 数据分析 　　图3位一组模型实验中获取的图像数据，其中图（a）是原始图像转换后的伪彩色图像，图（b）是二值化后的图像，图（c）中标示了示踪粒子，图（d）是本次测量后，绘制有流场的图像。 　　从在模型黄河多次实验获取的数据中，验证了DPIV技术应用模型黄河流场测量获得满意的结果。依照实验系统的性能分析，其能在流速变化范围获得较理想的测量结果，测量精度可达0.1 mm/s。且由于所用粒子小，质量轻，其测量几乎不受实验中水位深浅的影响。 　　4 结论 　　本文根据“模型黄河”的特点，应用DPIV技术，设计的流场检测系统，成功的获得了实验所需的高精度流场数据。但由于水流的波动性，在实践中，遇到了粒子轨迹很难重现的问题。这一问题的解决有赖于对多次测量结果的综合分析，这是作者下一步研究的方向