河工模型试验中DPIV技术及其应用..doc

河工模型试验中的 DPIV 技术及其应用 2010-12-16 18:48:04 论文代写 作者：田文栋，魏小林， 刘青 摘要：粒子图像测速是一种快速全 流场测量方法。本文根据河工模型试验的特点建立了一套多 CCD的 DPIV 测量系统，在自然光照明的条件下对河工模型近千平方米区域内流体的表面流厨行快速测量；根据河工模型中粒子分布的特 点，对 PIV 常用的速度提取算法 ( 互相关和二次傅立叶变换 ) 进行了改进，提高了速度提取的效率，在一定的分辨率前提下达到了对河工模型表面流场实时测 量和记录的要求，测量误差较小。 关键词：粒子图像测速 河工模型 速度测量 流场显示 引言 河工模型是探讨河流工程问题的有效研究方法之一，但由于河工模型尺寸大，观测的范围广，使用单点式速度测量仪器费时费力；对于动床模型或非定常流动模型，床面和边界形态均在不断变化之中，因此，在河工模型试验中采用全场实时测速技术十分必要，具有很大的科研和经济价值。粒子示踪的图像 全场测速技术 (Particle Image Velocimetry [1 ，2] 和 Particle Tracking Velocimetry [3 ， 4] ) 以及数字化粒子图像测速技术 (Digital PIV [5] 和 Digital PTV) 具有方便快捷的特点，在流体力学研究中得到了广泛应用。国内科研人员根据 PIV 和 PTV的基本原理，已成功开发出应用于大型河工模型表面流场测量的粒 [6] 子示踪测速系统：清华大学研制的 DPTV系统 、中国科学院力学研究所研制的 DPIV系统的核心是对流动图像进行处理，得到示踪粒子代表的流体的速度，这一过程称为速度提取。速度提取一般采用互相关算法和二次傅立叶变换 [7 ， 8， 9] 进行，需优良的硬件设备 ( 运算速度高的计算机和浮点运算加速器件 ) 才能满足实时测量的要求。本文考虑到河工模型中示踪粒子的分布特点以及自然光 照明的条件等，采用了三种改进的速度提取算法，缩短了速度提取时间，在普通 Pentium 系列微机由软件实现河工模型试验流场一定分辨率下的实时测量。 1 系统的结构原理及工作参数 如图 1 所示，用于河工模型试验表面流场测量的 DPIV 系统包括一台微型 计算机、图像卡、 CCD摄像机、软件以及其它的监视设备。利用自然光或灯光 照明，不需特定光源。位于模型上方的单台摄像机可以覆盖 2 2 10m～30m左右的 区域，系统可配置三十台工业 CCD摄像机，对河工模型几百平分米至上千平方米的流动区域进行测量。 在河工模型试验中，定常流动和非定常流动对多台 CCD摄像机信号的同步性要求不同。对于定常流动，则通过计算机同时选中所有图像卡上的第一个摄 像机进行图像采集，采集完成之后，再切换到各个图像卡上的下一个摄像机， 直到所有摄像机均完成采集，这样不同图像卡上相对应的摄像机得到的信号是 基本同步的 ( 仅相差计算机的几条指令所用的时间 ) ，同一图像卡上各个摄像机 得到的信号两两之间相差一个固定的时间 ( 两帧图像所用时间 0.08s 、CCD切换 时间、等待帧同步时间与软件选择的延时时间之和 ) ，这个时间在 0.08s ～ 1.0s 左右，而对于同步性要求高的非定常流动，则利用图像卡的一些特殊功能 ( 如RGB分色输入，信号转化同步进行等 ) 使同一图像卡上的各个摄像机信号保持完全同步。 图 1 用于河工模型的 DPIV 系统结构简图 Scheme of DPIV used in physical modal 若镜头为理想镜头，且 CCD摄像机轴线垂直于被测量平面，边缘与中心拥有相同的缩放倍率，不会产生失真；若 CCD镜头轴线与被测量平面不垂直，会导致梯形失真，严重失真时需调整 CCD摄像机的角度，轻度的失真则利用软件调整不同区域的缩放倍率；一般的镜头并非理想镜头，可能导致枕形失真、梯 形失真等，严重时图形扭曲，增大测量系统的误差，为了克服 CCD像机导致的失真，系统在使用前对每个 CCD与镜头进行了搭配检验，保证水平线和竖直线在几个易产生失真的特定位置 ( 中心和边缘 ) 的误差均不超过一个像素；并且软件中配备了图像修正模块，利用栅格进行检验，修正由镜头造成的失真，若图像出现严重的扭曲变形，则通过更换镜头的办法予以解决。 系统采用了工业 CCD作为图像摄取器件，因此性能受到 CCD空间分辨率 (768 ×576 像素 ) 和时间分辨率 ( 两 * 能参数，若需要测量更快的速度，则可能通过 0.02s 的场间隔，将可测量的速度范围提高到 20.0m/s ，若镜头覆盖的面积发生变化，则“测量的速度范围”和“示踪粒子尺寸”的变化将和覆盖区域的边长的变化成正比。 表 1 测量河工模型流场的 DPIV 系统的性能参数