复杂结构内部流场的光学匹配校准方法及设备与流程

1.本公开实施例涉及复杂结构内部流场测量技术领域，尤其涉及一种复杂结构内部流场的光学匹配校准方法和设备。


背景技术：

2.对于复杂结构内部流场的光学测量，一直是流体工程领域的重点关注问题。目前常用的复杂结构内部流场实验一般采用透明材料建造复杂结构的模型，之后将流体通入复杂结构内部，使用高速摄影方法观察结构内部流场。这种方法由于透明材料的折射率一般与流体不同，光线在通过复杂的透明材料结构时将会出现折射问题，最终在相机中呈现畸变的图像，无法得到真实的内部流场。


技术实现要素：

3.本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
4.为此，本公开第一方面实施例提供的复杂结构内部流场的光学匹配校准方法，解决利用图像测量技术进行内部流场测量时遇到的图像畸变问题，有利于观测到复杂结构内部的准确流场数据。本公开第一方面实施例提供的光学匹配校准方法包括：
5.步骤s1、制作复杂结构的透明模型，所述透明模型内设有容纳折射率匹配液的腔体，且所述腔体内设有至少一个使入射光源发生折射的固体部件，选取折射率与制作所述透明模型所用材料的折射率相近的折射率匹配液；
6.步骤s2、向所述透明模型一侧提供面光源，并向所述腔体通入折射率匹配液，获取被所述面光源照亮的所述透明模型的内部图像；
7.s3、对步骤s2获取的所述内部图像使用公式(1)计算所述透明模型与所述折射率匹配液的折射率匹配度，若所述折射率匹配度未达到折射率匹配度设定值，则执行步骤s4，直至所述折射率匹配度达到所述折射率匹配度设定值，校准结束；所述公式(1)为：
[0008][0009][0010]
式中，s为所述透明模型与所述折射率匹配液的折射率匹配度；n和m分别为步骤s2获取的所述内部图像含有的像素总列数和像素总行数；i
ij
为步骤s2获取的所述内部图像中第j 行、第i列像素的灰度值；为步骤s2获取的所述内部图像的灰度平均值；
[0011]
步骤s4、调节通入所述透明模型的折射率匹配液的折射率，返回步骤s2。
[0012]
本公开第一方面实施例提供的复杂结构内部流场的光学匹配校准方法，具有以下特点以及有益效果：
[0013]
本公开第一方面实施例提供的复杂结构内部流场的光学匹配校准方法，可在原位
同时测量折射率匹配液与复杂结构的折射率匹配程度，使得流体工质与复杂结构界面不会发生折射影响图像测量方法中的图像质量，可以彻底消除流体工质与复杂结构折射率不同导致的图像畸变引起的复杂结构内部流场测量误差，为复杂结构内部流场的准确测量提供了保障，在相关流体工程实验研究方面具有重要的推广价值。
[0014]
在一些实施例中，步骤s2中，所述透明模型的内部图像是从垂直于所述面光源所在平面的所述透明模型的另一侧获取得到。
[0015]
在一些实施例中，步骤s3中，根据所述内部图像的灰度平均值和允许的图像亮度差异确定所述折射率匹配度设定值。
[0016]
在一些实施例中，所述折射率匹配度设定值设为
[0017]
在一些实施例中，步骤s4包括：
[0018]
观察所述内部图像中固液界面亮带的分布，若亮带在固体一侧，则降低通入所述腔体内折射率匹配液的温度或浓度，返回步骤s2；若亮带在液体一侧，则增加通入所述腔体内折射率匹配液的温度或浓度，返回步骤s2。
[0019]
本公开第一方面实施例提供的光学匹配校准设备，包括：
[0020]
复杂结构的透明模型，所述透明模型内设有容纳折射率匹配液的腔体，所述腔体内设有至少一个使入射光源发生折射的固体部件，选取折射率与制作所述透明模型所用材料的折射率相近的折射率匹配液；
[0021]
折射率匹配液泵送单元，用于向所述腔体泵送折射率匹配液；
[0022]
面光源，位于所述透明模型一侧；
[0023]
相机，用于获取被所述面光源照亮的通有所述折射率匹配液的所述透明模型的内部图像；
[0024]
折射率匹配液调节单元，用于调节通入所述腔体内折射率匹配液的折射率；和
[0025]
控制器，用于根据公式(1)计算所述透明模型与通入其内的所述折射率匹配液的折射率匹配度，若折射率匹配度未达到折射率匹配度设定值，则控制所述折射率匹配液调节单元调节通入所述腔体内折射率匹配液的折射率，直至根据公式(1)计算的透明模型与折射率匹配液的折射率匹配度达到折射率匹配度设定值；所述公式(1)为：
[0026][0027]
式中，s为所述透明模型与所述折射率匹配液的折射率匹配度；n和m分别为获取的所述内部图像含有的像素总列数和像素总行数；i
ij
为获取的所述内部图像中第j行、第i列像素的灰度值；为获取的所述内部图像的灰度平均值。
[0028]
在一些实施例中，所述折射率匹配液泵送单元包括管道，所述管道的出口端与所述腔体的进口端连通，所述管道上设有驱动泵。
[0029]
在一些实施例中，所述面光源包括架设在所述透明模型一侧且共光轴设置的激光器和片光光路。
[0030]
在一些实施例中，所述相机安装在垂直于所述片光光路所在平面的所述透明模型
的另一侧。
[0031]
在一些实施例中，所述折射率匹配液调节单元包括安装在所述管道内部的换热管，与所述换热管连接的控温机，在所述换热管和所述控温机的内部加注冷却水并不间断循环，受所述控制器控制调节通入所述腔体内折射率匹配液的温度。
附图说明
[0032]
图1为本公开第一方面实施例提供的复杂结构内部流场的光学匹配校准方法的流程图。
[0033]
图2为本公开第二方面实施例提供的复杂结构内部流场的光学匹配校准设备的结构示意图；
[0034]
图中：
[0035]
10—透明模型，11—腔体，111—固体部件；
[0036]
20—折射率匹配液泵送单元，21—管道，22—驱动泵；
[0037]
30—面光源，31—激光器，32—片光光路，33—扇形片光；
[0038]
40—相机；
[0039]
50—折射率匹配液调节单元，51—换热管，52—控温机。
具体实施方式
[0040]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本技术，并不用于限定本技术。
[0041]
相反，本技术涵盖任何由权利要求定义的在本技术精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本技术有更好的了解，在下文对本技术的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本技术。
[0042]
参见图1，本公开第一方面实施例提供的复杂结构内部流场测量的光学匹配校准方法，包括：
[0043]
步骤s1、制作复杂结构的设定比例的透明模型，该透明模型内设有容纳折射率匹配液的腔体，且腔体内设有至少一个使入射光源发生折射的固体部件，选取折射率与制作透明模型所用材料的折射率相近的折射率匹配液；
[0044]
步骤s2、向透明模型一侧提供面光源，并向透明模型通入折射率匹配液，获取被面光源照亮的透明模型的内部图像；
[0045]
s3、对步骤s2获取的内部图像使用公式(1)计算透明模型与折射率匹配液的折射率匹配度，若折射率匹配度未达到折射率匹配度设定值，则执行步骤s4，直至折射率匹配度达到折射率匹配度设定值，校准结束；所述公式(1)为：
[0046][0047]
式中，s为透明模型与折射率匹配液的折射率匹配度；n和m分别为步骤s2获取的内部图像含有的像素总列数和像素总行数；i
ij
为步骤s2获取的内部图像中第j行、第i列像素的灰度值；为步骤s2获取的内部图像的灰度平均值；
[0048]
步骤s4、调节通入透明模型的折射率匹配液的折射率，返回步骤s2。
[0049]
在一些实施例中，制作的复杂结构的透明模型的腔体内设有使入射光源发生折射的部件，该部件根据模拟的复杂结构进行设置，如可以是叶轮、阀门等，利用与透明模型所采用的透明材质相同的材质制成。
[0050]
在一些实施例中，向透明模型一侧提供的面光源采用扇形片光源，可以照亮透明模型内部指定区域。
[0051]
在一些实施例中，透明模型的内部图像是从垂直于面光源所在平面的透明模型的另一侧获取得到。
[0052]
在一些实施例中，通过采用公式(1)给出的计算方式计算透明模型与折射率匹配液的折射率匹配度，可以实现在实验原位达到折射率匹配以防止配置和加注过程中温度、浓度等变化造成的折射率误差引起的图像畸变。具体原理为：通过公式(1)可计算得到图像像素值的标准差，当透明模型与折射率匹配液的折射率不匹配时，面光源在固液界面处会发生折射和反射，在图像中形成亮带，灰度值显著高于平均灰度值，因此使用公式(1) 计算所得s值会增大，当折射率完全一致时，固液界面不会发生折射和反射，图像中所有像素的灰度值均与平均灰度值接近，此时s将接近于0，因此，s越小表明折射率匹配度越高。
[0053]
在一些实施例中，根据内部图像的灰度平均值和允许的图像亮度差异确定折射率匹配度设定值，如设置为即将折射率误差引起的图像误差控制在平均灰度的10％以内。
[0054]
在一些实施例中，步骤s4包括以下步骤：
[0055]
若折射率匹配度不满足要求，观察图像中固液界面亮带的分布，若亮带在固体一侧，则说明折射率匹配液的折射率低于固体，此时降低通入腔体内折射率匹配液的温度或浓度，提高折射率匹配液的折射率；若亮带在液体一侧，则说明折射率匹配液的折射率高于固体，此时需增加通入腔体内折射率匹配液的温度或浓度，降低折射率匹配液的折射率。
[0056]
参见图2，本公开第二方面实施例提供的复杂结构内部流场测量的光学匹配校准设备，包括：
[0057]
复杂结构的透明模型10，该透明模型10内设有容纳折射率匹配液的腔体11，腔体11 内设有至少一个使入射光源发生折射的固体部件111，选取折射率与制作所述透明模型所用材料的折射率相近的折射率匹配液；
[0058]
折射率匹配液泵送单元20，用于向腔体11泵送折射率匹配液；
[0059]
面光源30，位于透明模型10一侧；
[0060]
相机40，用于获取被面光源30照亮的通有折射率匹配液的透明模型的内部图像；
[0061]
折射率匹配液调节单元50，用于调节通入透明模型腔体11内折射率匹配液的折射率；和
[0062]
控制器(该控制器在图中未示意出)，用于根据公式(1)计算透明模型与折射率匹配液的折射率匹配度，若折射率匹配度未达到折射率匹配度设定值，则控制折射率匹配液调节单元50调节通入透明模型腔体11内折射率匹配液的折射率，直至根据公式(1)计算的透明模型与折射率匹配液的折射率匹配度达到折射率匹配度设定值。
[0063]
在一些实施例中，折射率匹配液泵送单元20包括管道21，该管道21的出口端与透明模型10的腔体11的进口端连通，管道21的进口端与透明模型10的腔体11的出口端连通，管道21上设有驱动泵22，用于通过管道21向腔体11内通入折射率匹配液。
[0064]
在一些实施例中，面光源30包括架设在复杂结构的透明模型5的一侧且共光轴设置的激光器31和片光光路32，激光器31发射的点光源经过片光光路32后生成扇形片光33，扇形片光33穿透复杂结构的透明模型10进入腔体11，经过腔体11内的固体部件111产生折射。
[0065]
在一些实施例中，相机40采用工业相机，安装在垂直于片光光路32所在平面的透明模型10的另一侧，用于获取透明模型10被扇形片光33照亮的内部图像，为二维图像。
[0066]
在一些实施例中，折射率匹配液调节单元50包括安装在管道21内部的换热管51，与换热管51连接的控温机52，折射率匹配液调节单元50内部加注冷却水并不间断循环(冷却水只在换热管和控温机内部循环，带走或者提高折射率匹配也的热量)，受控制器控制调节通入腔体11内折射率匹配液的温度。具体地，在控温机52上设定某一温度后，若设定温度比折射率匹配液的温度低，则控温机52内部的冷却功能启动，进入换热管51的冷却水温度降低，折射率匹配液绕过换热管时一部分热量被换热管51内的冷却水带走，一段时间之后折射率匹配液的温度即与设定温度相同，若设定温度比折射率匹配液的温度高，则控温机52内部的加热功能启动，进入换热管51的冷却水温度升高，折射率匹配液绕过换热管时温度升高，一段时间之后折射率匹配液的温度即与设定温度相同。
[0067]
以下描述利用本公开第二方面实施例提供的复杂结构内部流场的光学匹配校准设备消除图像测量过程中的折射率不同造成的图像畸变过程，包括以下步骤：
[0068]
1)打开驱动泵22、激光器31和工业相机；
[0069]
2)使用工业相机拍摄复杂结构的透明模型10被扇形片光33照亮的内部的图像，对图像使用公式(1)计算透明模型10与折射率匹配液的折射率匹配度s；
[0070]
3)若折射率匹配度s不满足要求，即：则打开折射率匹配液调节单元50中的控温机52，调节通入透明模型10腔体11内折射率匹配液的温度，温度稳定后重新使用工业相机拍摄透明模型10被扇形片光33照亮的内部的图像，对图像使用公式(1)计算透明模型10与折射率匹配液的折射率匹配度，直到透明模型10与折射率匹配液的折射率匹配度符合要求为止，校准完毕。
[0071]
校准完毕后，架设后续实验所需使用的图像类测量仪器开展复杂结构的透明模型10 的内部流场测量。
[0072]
下面以核反应堆冷凝器内部流场测量实验为例对本公开的详细实验过程进行说明。本实施例中驱动泵22为上海凯泉生产的不锈钢离心泵isg-50-i60，管道21的直径50mm，折射率匹配液为nai的水溶液，换热管51为直径5mm的铜管，控温机52为搏佰机械(上海)有
限公司生产的hg800变频式冷水机，复杂结构的透明模型10为使用有机玻璃加工的核反应堆冷凝器，激光器31为北京镭志威光电科技生产的plite-532-13w型连续激光器，片光光路32为鲍威尔棱镜，相机40采用火星(mars)家族的mars-u3系列数字相机，1230万像素， usb3.0数据传输接口，通过高速摄像机配套软件galaxy windows sdk采集图像序列。工业相机的镜头为尼康50mmf/1.8d，135mm全画幅标准，光圈范围f1.8-22，对焦方式为af自动对焦，最近对焦距离0.45m，曝光时间24μs-1s。本实施例在利用控温机52控制温度为35 度时得到折射率匹配液与复杂结构的透明模型10的折射率匹配度为3，小于整张图片的灰度平均值的0.1倍，获得的图像可用于后续复杂结构的透明模型10的内部流场测量。
[0073]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0074]
尽管已经示出和描述了本公开的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本公开的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本公开的范围由权利要求及其等同物限定。