一種岸灘表面流速粒子追蹤測量系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種岸灘表面流速粒子追蹤測量系統，包括一水槽，水槽中劃分為主流槽和模擬岸灘兩部分；取模擬岸灘一段長度的上表面，作為刻度區(qū)，在所述刻度區(qū)沿橫、縱兩方向都畫有刻度線；帶有不同色彩的多顆輕質粒子，在測量前靜置于起始刻度線上，在水槽中沖入水后粒子隨水流流動；在水槽的上方架設有一攝像機和一光源，攝像機的拍攝范圍覆蓋刻度區(qū)，攝像機與計算機相連，當水槽中有水流動時，攝像機連續(xù)拍攝所述粒子的運動狀態(tài)；水槽的進水端連接供水裝置。本實用新型以水流中的粒子為研究對象，模擬岸灘表面流體的動態(tài)狀況，獲得整個流體表面流速的變化，系統測量速度快、測量精度高。
【專利說明】一種岸灘表面流速粒子追蹤測量系統

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及水工物理模型試驗領域，尤其涉及一種岸灘表面流速粒子追蹤測量系統。

【背景技術】
[0002]水流表面流速是水體運動的主要特征參量，是水工物理模型試驗觀測的基礎試驗數據之一。國內外學者對應用于水工物理模型表面流速測量的方法進行了廣泛地研究，主要可以分為接觸式和非接觸式兩類。
[0003]其中，接觸式包括畢托管流速測量法、旋槳式流速測量法、熱線流速測量法和電磁流速測量法等。由于岸灘水體水深淺，邊界影響大，流態(tài)復雜，因而傳統的接觸式測量方法受安裝條件的限制，很難達到試驗要求。
[0004]非接觸式主要有粒子圖像測速技術(PIV)、光電非接觸式測量技術等。而粒子圖像測速技術(PIV)存在以下方面的技術問題:
[0005]1、大多PIV產品是基于快速Fourier變換的互相關算法，僅適用于粒子濃度高且粒子圖像在被刪區(qū)不重疊的測量；
[0006]2、由于水體和岸灘的相互作用，需要涉及到近岸邊界處的速度矢量識別；
[0007]3、由于激光能量較高，在固體邊界上不可避免會產生強烈的反光，這給按粒子成像來獲得速度的互相關算法的使用造成了極大的困難；
[0008]4、現有的PIV測量技術是以充滿運動液體質點的空間流場為對象，研究各時刻質點在流場中的變化規(guī)律，該方法很難有效地考察水體和污染物在岸灘上的傳播特點及灘槽水體的交換。
實用新型內容
[0009]本實用新型所要解決的就是:提供一種岸灘表面流速粒子追蹤測量系統，以克服現有技術適用性低和測量精度低、測量速度慢的技術問題。
[0010]為了解決上述技術問題，本實用新型提供了一種岸灘表面流速粒子追蹤測量系統，包括一水槽，水槽中劃分為主流槽和模擬岸灘兩部分；取模擬岸灘一段長度的上表面，作為刻度區(qū)，在所述刻度區(qū)沿橫、縱兩方向都畫有刻度線；帶有不同色彩的多顆輕質粒子，在測量前靜置于起始刻度線上，在水槽中沖入水后粒子隨水流流動；在水槽的上方架設有一攝像機和一光源，攝像機的拍攝范圍覆蓋刻度區(qū)，攝像機與計算機相連，當水槽中有水流動時，攝像機連續(xù)拍攝所述粒子的運動狀態(tài)；水槽的進水端連接供水裝置。
[0011]進一步講，所述模擬岸灘在主流槽的側面設置(一面或兩面)，與主流槽之間形成臺階形式。
[0012]進一步講，在所述主流槽的底表面，對應于模擬岸灘處的刻度區(qū)位置，也畫有同樣的刻度線。
[0013]進一步講，所述粒子為磁性粒子，對應的在水槽的下游或出口端，設置有吸磁裝置，其他地方均沒有。
[0014]所述粒子共有7顆，分為赤、橙、黃、綠、青、藍、紫7種顏色，通過計算7顆粒子的平均速度，作為岸灘表面的流速。
[0015]進一步講，供水裝置包括水泵和地下水庫，泵的進口端與地下水庫連接，水泵的出口端設置在水槽的進水口處，水槽的出口與地下水庫連接，水庫中的水在其中形成循環(huán)流動。
[0016]本實用新型所提供的一種岸灘表面流速粒子追蹤測量系統，有如下有益效果:本實用新型所提供的系統是以水流中的粒子為研究對象，既可以用于低濃度粒子圖像，也可以適用高濃度粒子圖像，適用性強。高速攝像機拍攝到動態(tài)粒子圖像傳輸給計算機，獲得整個流體表面流速的變化，采用本實用新型所提供的系統，測量速度快、測量精度高。本實用新型提供的系統，結構簡單，易操作，且成本低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型系統的整體結構示意圖。
[0018]1-水槽，11-主流槽，12-模擬岸灘，13-刻度線，2_輕質粒子，3_攝像機，4_光源，
5-米集卡，6-計算機，7-吸磁裝置。

【具體實施方式】
[0019]下面結合說明書附圖和實施例，對本實用新型技術方案作進一步詳細描述。以下實施例僅用于說明本實用新型，但不用來限制本實用新型保護的范圍。
[0020]本實施例提供了一種岸灘表面流速粒子追蹤測量系統，如圖1所示，該系統設置了一水槽1，水槽模擬自然界中水流與岸灘的構造，分為了主流槽11和模擬岸灘12兩部分，其中模擬岸灘是在主流槽的一側或兩側，以高于主流槽的臺階方式展現，即主流槽與岸灘之間形成臺階。
[0021]在模擬岸灘12上表面的一段長度上，沿橫、縱兩方向都畫有刻度線13。較佳的是，在對應該岸灘處的主流槽11的底表面也畫有同樣的刻度線。設置刻度線的原因是:要在此岸灘處放置輕質粒子2，刻度線是用于測量流動粒子的移動距離的，如果一旦粒子從岸灘上掉落到主流槽中，也一樣可以測量到。
[0022]供水裝置包括水泵和地下水庫，在水槽I的一端，設置有水泵，水泵的出口端設置在水槽的進水口處，泵的進口端與地下水庫連接，水槽的出口與地下水庫連接(圖中水泵和地下水庫均沒有畫出)。水庫中的水經過水泵泵入到水槽中，在水槽中流過,其中包括了在主流槽中和在模擬岸灘上會以不同的速度流動(因為水位高度不同，可能造成流速不同；另外上層水流容易發(fā)生紊流，下層水流相對比較平穩(wěn)，這也是測量岸灘表面流速的目的)。水槽的出水進入地下水庫，再從地下水庫繼續(xù)泵入到水槽，如此形成循環(huán)流動，造成連續(xù)水流。水的流速通過水泵控制，上述水泵可以設置一臺，也可以設置多臺。
[0023]在水槽I的上方，較佳是對著有刻度的水槽的上方，架設有一高速攝像機3，和一強光源4，攝像機的拍攝范圍應能覆蓋到刻度區(qū)的首尾刻度線，強光源是為了更好的照明，照清楚水底移動的粒子2。高速攝像機3采集到的圖像通過采集卡5存儲，然后發(fā)送給后臺計算機6，或者直接傳輸給計算機。
[0024]為了便于回收粒子2，將粒子選擇為磁性粒子(此時必須保證水槽不能用吸磁材料制作)。在水槽I的下游或出口端，在槽壁上設置有磁鐵或其他吸磁裝置7。
[0025]為了更好的模擬水流狀態(tài)，本實用新型中優(yōu)選7個具有不同色彩的磁性粒子模擬測試岸灘表面的流速，標記為不同個標號。選取7個是因為自然界有赤、橙、黃、綠、青、藍、紫7種基本顏色。選擇多個粒子測試的目的是可以通過多個粒子的測量結果折合算出流速的平均值，這樣可以更客觀的測得流速。本實用新型中選擇的粒子較佳直徑在3-10_。
[0026]使用本系統的測量方法是:讓強光源入射，攝像機打開就位；預先在水槽中岸灘表面放置好粒子，I?7顆，不同顏色，每一顆都放置在刻度區(qū)的起始刻度線上。然后向水槽中放水，粒子隨著水流向前流動。攝像機連續(xù)拍攝，直至所有粒子越過刻度區(qū)的末端刻度線。攝像機將拍攝的所有圖片發(fā)送到計算機擬合，擬合出每個粒子的運動軌跡。根據拍攝的時間，和刻度區(qū)的長度，就可以計算出每個粒子的速度。如果有多個粒子，對多個粒子的速度求平均值，就可以模擬出岸灘表面的流速。
[0027]本實用新型以每個粒子為研究對象模擬岸灘表面的質點運動，記錄該質點在運動過程中物理量隨時間變化規(guī)律，綜合所有質點的運動，能反演整個流體表面流速的變化。避免了現有技術中，由于以充滿整個空間流場的質點為研究對象，而不能有效地描述流體表面流速變化的缺陷，提高了整個測量精度和測量效率，可以進一步研究水流在岸灘上的傳播特點及在灘槽水體間的交換。
【權利要求】
1.一種岸灘表面流速粒子追蹤測量系統，其特征在于:包括一水槽，水槽中劃分為主流槽和模擬岸灘兩部分； 取模擬岸灘一段長度的上表面，作為刻度區(qū)，在所述刻度區(qū)沿橫、縱兩方向都畫有刻度線.帶有不同色彩的多顆輕質粒子，在測量前靜置于起始刻度線上，在水槽中沖入水后粒子隨水流流動； 在水槽的上方架設有一攝像機和一光源，攝像機的拍攝范圍覆蓋刻度區(qū)，攝像機與計算機相連，當水槽中有水流動時，攝像機連續(xù)拍攝所述粒子的運動狀態(tài)； 水槽的進水端連接供水裝置。
2.根據權利要求1所述的岸灘表面流速粒子追蹤測量系統，其特征在于:所述模擬岸灘在主流槽的側面設置，與主流槽之間形成臺階形式。
3.根據權利要求1或2所述的岸灘表面流速粒子追蹤測量系統，其特征在于:在所述主流槽的底表面，對應于模擬岸灘處的刻度區(qū)位置，也畫有同樣的刻度線。
4.根據權利要求1所述的岸灘表面流速粒子追蹤測量系統，其特征在于:所述粒子為磁性粒子，對應的在水槽的下游或出口端，設置有吸磁裝置，其他地方均沒有。
5.根據權利要求1或4所述的岸灘表面流速粒子追蹤測量系統，其特征在于:所述粒子共有7顆，分為赤、橙、黃、綠、青、藍、紫7種顏色，通過計算7顆粒子的平均速度，作為岸灘表面的流速。
6.根據權利要求1所述的岸灘表面流速粒子追蹤測量系統，其特征在于:所述供水裝置包括水泵和地下水庫，泵的進口端與地下水庫連接，水泵的出口端設置在水槽的進水口處，水槽的出口與地下水庫連接，水庫中的水在其中形成循環(huán)流動。
【文檔編號】G01P5/20GK204065126SQ201420374652
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年7月8日 優(yōu)先權日:2014年7月8日
【發(fā)明者】潘冬子, 潘存鴻, 曾劍, 韓海騫 申請人:浙江省水利河口研究院