一種流體三維速度場測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種流體三維速度場測量系統(tǒng)，屬于水力學(xué)及河流動力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]模型試驗(yàn)方法被廣泛應(yīng)用于水力學(xué)及河流動力學(xué)中水體的流態(tài)及三維速度場等內(nèi)容的研究，其中流場測量技術(shù)是模型試驗(yàn)方法中的一項(xiàng)重要技術(shù)，因此研究流場測量技術(shù)對于水力學(xué)、河流動力學(xué)及相關(guān)工程領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。
[0003]目前，已有多種流速測量方法。流速儀是一種應(yīng)用廣泛的傳統(tǒng)流速測量儀器，安裝方便價格低廉，但是該儀器只能測量一個測量點(diǎn)的流速而非整個流場的流速分布，且儀器本身對被測量點(diǎn)的流速有擾動。空間濾波方法，如平行窄縫光柵和線性光電探測器也可以實(shí)現(xiàn)對流體流速的測量，但是該類濾波器結(jié)構(gòu)難以保證較高測量精度，且僅能實(shí)現(xiàn)流體單個測量點(diǎn)的流速測量。粒子示蹤速度法(簡稱PTV)和粒子圖像速度法(簡稱PIV)是后續(xù)發(fā)明的測量流體速度的重要方法，但是這兩種方法主要用于流體二維平面速度的測量即測量流體表面的速度場分布。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種流體三維速度場測量系統(tǒng)。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)流體內(nèi)部整個三維速度場的測量、設(shè)備簡單穩(wěn)定、熒光斑點(diǎn)數(shù)字圖解析過程高效、測量結(jié)果穩(wěn)定精度高。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過如下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
一種流體三維速度場測量系統(tǒng)，包括:實(shí)驗(yàn)水槽、懸浮夜光顆粒、垂直(XD工業(yè)照相機(jī)、水平CCD工業(yè)照相機(jī)、數(shù)據(jù)處理計算機(jī)，所述實(shí)驗(yàn)水槽內(nèi)設(shè)置有待測流體，所述待測流體內(nèi)均勻分布有懸浮夜光顆粒；所述垂直CCD工業(yè)照相機(jī)設(shè)置在實(shí)驗(yàn)水槽正上方，所述水平CCD工業(yè)照相機(jī)設(shè)置在實(shí)驗(yàn)水槽側(cè)面，用于拍攝懸浮夜光顆粒在待測流體流動過程中各時刻的分布圖；所述數(shù)據(jù)處理計算機(jī)與垂直C⑶工業(yè)照相機(jī)、水平(XD工業(yè)照相機(jī)相連接，用于將懸浮夜光顆粒的分布圖轉(zhuǎn)換為數(shù)字矩陣，并匹配得到待測流體三維速度場。
[0006]所述懸浮夜光顆粒設(shè)置水滴結(jié)構(gòu)。
[0007]所述懸浮夜光顆粒的密度與待測流體的密度相同。
[0008]作為優(yōu)選方案，所述懸浮夜光顆粒的色彩包含多種顏色。
[0009]作為優(yōu)選方案，所述實(shí)驗(yàn)水槽采用透明材質(zhì)。
[0010]有益效果:本發(fā)明提供的一種流體三維速度場測量系統(tǒng)，(1)懸浮夜光顆粒由于同實(shí)驗(yàn)流體的密度相同，因此可以在流體的不同位置懸浮，從而能夠測量流體的全部三維速度場，而非流體表面的二維速度場；(2)懸浮夜光顆粒在吸收光能后能在一段相對較長的時間內(nèi)自主發(fā)光，因此在黑暗的環(huán)境中用工業(yè)CCD相機(jī)拍攝流體中的懸浮夜光顆?？梢缘玫綄Ρ榷群芨叩膱D片，方便后續(xù)的圖片處理和位移解析，同時也保證了所求速度場的精確性；(3)懸浮夜光顆粒為水滴形狀、滿足發(fā)光強(qiáng)度的條件下盡可能小的體積以及其密度與實(shí)驗(yàn)所用流體相同，因此該種懸浮夜光顆粒對實(shí)驗(yàn)流體的流場干擾小且其跟隨性好，能較為準(zhǔn)確的反應(yīng)待測流體的流態(tài)；(4)選用了多種顏色的懸浮夜光顆粒混合在一起測量流體的三維速度場，因此通過工業(yè)CCD相機(jī)獲取的不同時間點(diǎn)的圖片在進(jìn)行全場懸浮夜光顆粒的比對與匹配時能優(yōu)化算法，提高計算效率，縮短計算機(jī)時；(5)水栗、離心機(jī)或水輪機(jī)等結(jié)構(gòu)的模型試驗(yàn)所采用材料不可能全為透明材質(zhì)，因此常規(guī)的方法很難測量其內(nèi)部的流場。但是本發(fā)明所述方法中，懸浮夜光顆?？梢宰灾靼l(fā)光，只需CCD相機(jī)透過結(jié)構(gòu)上一個較小的透明部位即可獲取清晰的懸浮顆粒圖片；對于大型的河工模型試驗(yàn)，由于測量范圍大獲取全場的速度場比較困難，但是所述發(fā)明方法可以通過簡單的測量區(qū)域劃分，多設(shè)置幾臺CCD相機(jī)即可輕松獲取全場速度場。因此該方法使用范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)。(6)該方法所需設(shè)備數(shù)量少且設(shè)備本身簡單、運(yùn)行穩(wěn)定也沒有高要求的設(shè)備安裝要求，因此該方法使用簡單，測量精度穩(wěn)定可靠。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0013]如圖1所示，一種流體三維速度場測量系統(tǒng)，包括:實(shí)驗(yàn)水槽1、懸浮夜光顆粒2、垂直(XD工業(yè)照相機(jī)3、水平(XD工業(yè)照相機(jī)4、數(shù)據(jù)處理計算機(jī)5，所述實(shí)驗(yàn)水槽1內(nèi)設(shè)置有待測流體，所述待測流體內(nèi)均勻分布有懸浮夜光顆粒2 ;所述垂直CCD工業(yè)照相機(jī)3設(shè)置在實(shí)驗(yàn)水槽1正上方，所述水平(XD工業(yè)照相機(jī)4設(shè)置在實(shí)驗(yàn)水槽1側(cè)面，用于拍攝懸浮夜光顆粒在待測流體流動過程中各時刻的分布圖；所述數(shù)據(jù)處理計算機(jī)5與垂直CCD工業(yè)照相機(jī)3、水平CCD工業(yè)照相機(jī)4相連接，用于將懸浮夜光顆粒的分布圖轉(zhuǎn)換為數(shù)字矩陣，并匹配得到待測流體三維速度場。
[0014]具體工作步驟如下:
步驟一:制備懸浮夜光顆粒。所述懸浮夜光顆粒整體為水滴形狀；懸浮夜光顆粒具體體積應(yīng)該在滿足CCD工業(yè)照相機(jī)拍照清晰度的條件下盡可能的小；需要制備多種顏色的懸浮夜光顆粒并將其均勻混合；懸浮夜光顆粒的密度與待測流體的密度一致，使其能在待測流體的各部位相對靜止。
[0015]步驟二:C⑶工業(yè)相機(jī)安裝。所述垂直(XD工業(yè)相機(jī)安裝在待測流體正上方。所述水平CCD工業(yè)相機(jī)安裝在水平面內(nèi)并且可以獲取待測流體在豎直方向的清晰照片。當(dāng)流體待測范圍較大時可以布置多個CCD工業(yè)相機(jī)。
[0016]步驟三:懸浮夜光顆粒分布圖的采集。預(yù)估待測流體的速度大小，選擇合適的CCD工業(yè)相機(jī)的拍照頻率。所用實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備做好后，在黑暗的條件下開始實(shí)驗(yàn)，并用所有的CCD工業(yè)相機(jī)同時采集不同時間點(diǎn)的懸浮夜光顆粒的分布圖，并將所采集的懸浮夜光顆粒的分布圖傳給所述數(shù)據(jù)處理計算機(jī)。
[0017]步驟四:三維速度場求解。上述數(shù)據(jù)處理計算機(jī)用圖形處理軟件對傳入的懸浮夜光顆粒的分布圖進(jìn)行降噪處理，進(jìn)一步提高其熒光斑點(diǎn)數(shù)字圖清晰度。然后利用數(shù)字圖像處理軟件，將懸浮夜光顆粒分布圖轉(zhuǎn)換為數(shù)字矩陣。
[0018]將不同時刻點(diǎn)采集的懸浮夜光顆粒分布圖對應(yīng)的數(shù)字矩陣進(jìn)行匹配。由于具有不同顏色的懸浮夜光顆粒，在進(jìn)行匹配時可以采用縮小搜索區(qū)域、區(qū)分不同顏色的方法來提高數(shù)據(jù)處理計算機(jī)的計算效率。然后計算懸浮夜光顆粒相連兩個時刻對應(yīng)的相對位移，最終得出這兩個相連時刻間的平均速度。
[0019]本發(fā)明具有設(shè)備簡單、操作簡單、穩(wěn)定性好、測量精度高、方法適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
[0020]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種流體三維速度場測量系統(tǒng)，其特征在于:包括:實(shí)驗(yàn)水槽、懸浮夜光顆粒、垂直(XD工業(yè)照相機(jī)、水平(XD工業(yè)照相機(jī)、數(shù)據(jù)處理計算機(jī)，所述實(shí)驗(yàn)水槽內(nèi)設(shè)置有待測流體，所述待測流體內(nèi)均勻分布有懸浮夜光顆粒；所述垂直CCD工業(yè)照相機(jī)設(shè)置在實(shí)驗(yàn)水槽正上方，所述水平CCD工業(yè)照相機(jī)設(shè)置在實(shí)驗(yàn)水槽側(cè)面，用于拍攝懸浮夜光顆粒在待測流體流動過程中各時刻的分布圖；所述數(shù)據(jù)處理計算機(jī)與垂直C⑶工業(yè)照相機(jī)、水平C⑶工業(yè)照相機(jī)相連接，用于將懸浮夜光顆粒的分布圖轉(zhuǎn)換為數(shù)字矩陣，并匹配得到待測流體三維速度場。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種流體三維速度場測量系統(tǒng)，其特征在于:所述懸浮夜光顆粒設(shè)置水滴結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種流體三維速度場測量系統(tǒng)，其特征在于:所述懸浮夜光顆粒的密度與待測流體的密度相同。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種流體三維速度場測量系統(tǒng)，其特征在于:所述懸浮夜光顆粒的色彩包含多種顏色。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種流體三維速度場測量系統(tǒng)，其特征在于:所述實(shí)驗(yàn)水槽采用透明材質(zhì)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種流體三維速度場測量系統(tǒng)，包括實(shí)驗(yàn)水槽、懸浮夜光顆粒、垂直CCD工業(yè)照相機(jī)、水平CCD工業(yè)照相機(jī)和數(shù)據(jù)處理計算機(jī)。根據(jù)待測流體的測量范圍及密度制備滿足要求的懸浮夜光顆粒，并將制備好的不同顏色的懸浮夜光顆粒均勻混入待測流體中；用垂直CCD工業(yè)照相機(jī)和水平CCD工業(yè)照相機(jī)在黑暗條件下采集待測流體中的懸浮夜光顆粒分布圖；數(shù)據(jù)處理計算機(jī)對采集的懸浮夜光顆粒分布圖進(jìn)行圖形降噪處理并轉(zhuǎn)換為數(shù)字矩陣，再使用經(jīng)過優(yōu)化的匹配方法計算各相連時刻的各個夜光顆粒的相對位移，最后獲取整個待測流體各時間段的三維速度場。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)流體的三維位移場測量，設(shè)備簡單、穩(wěn)定性好、測量精度高、方法適應(yīng)性強(qiáng)。
【IPC分類】G01P5/20
【公開號】CN105301282
【申請?zhí)枴緾N201510825956
【發(fā)明人】熊勃勃
【申請人】河海大學(xué)
【公開日】2016年2月3日
【申請日】2015年11月25日