一种基于TR-PIV方法的振荡水柱式波能转化装置流场测量系统及方法

本发明属于piv技术流场测量领域，涉及波浪能利用装置，尤其涉及了一种基于tr-piv方法的振荡水柱式波能转化装置流场测量系统及方法。

背景技术：

1、能源是人类生存和发展的重要物质基础。在各种可再生能源技术中，太阳能系统，风能、地热能、生物质能和水能等可再生能源系统得到了良好的关注和有前景的投资。其中，水力能源或水力发电，潮汐能、波浪能和海洋热能转换(otec)都被认为是水基能源系统。在装机容量和发电量方面，水力发电被视为主要类型。波浪能是海洋表面海水吸收了风能后产生的波浪所贮存的动能和势能的总称，不但能量密度较高，并且相对于潮流能分布面广等优点，在近些年被广泛研究。

2、全面了解振荡水柱式波能转化装置周围的流场特征对改进其能量提取具有重要意义。在振荡水柱式波能转化装置研究中，将足够的动能转化为水柱的垂向运动是设计owc转化器的关键考虑因素。然而，目前波浪与振荡水柱式波能转化装置的相互作用机制还不甚清晰，大多数研究将振荡水柱式波能转化装置的流场视为黑箱，仅对宏观物理现象如波浪入反射和能量提取特征进行研究，缺乏对其内部机理的考察。然而，流场中的湍流现象和涡旋形成是动能的主要能量损失机制之一，其产生、发展、演变以及与物体的相互作用都会影响并决定流场的动量交换和能量传递，这对振荡水柱式波能转化装置的能量提取存在影响。

3、本发明的测量系统完善了对于振荡水柱式波能转化装置流场测量、水动力性能的研究能力，可为学界针对振荡水柱式波能转化装置进行机理分析和产品性能优化提供实验条件。

技术实现思路

1、本发明公开了一种基于tr-piv方法的振荡水柱式波能转化装置流场测量系统，对于分析振荡水柱式波能转化装置的俘能消浪机理和流场演化规律提供实验条件，完善了对于振荡水柱式波能转化装置流场测量、水动力性能的研究能力，可为学界针对振荡水柱式波能转化装置进行机理分析和产品性能优化提供实验条件。

2、为实现上述技术功能，本发明采用如下技术方案：

3、本发明首先公开了一种基于tr-piv方法的振荡水柱式波能转化装置流场测量系统，所述系统包含三个子系统，分别为：造波及监测子系统，图像拍摄子系统和数据控制处理系统；

4、所述造波及监测子系统包含波浪水槽、造波机和浪高仪；造波机安置在波浪水槽的一端，用于制造所需波浪条件；波浪水槽内离造波机所在一端较远的中部位置固定有振荡水柱式波能转化装置，保证流场测量过程中有足够的未经二次反射波影响的数据；浪高仪布置在振荡水柱式波能转化装置的各气室内部，并位于远离激光光页和高速相机的一侧，用于实时检测振荡水柱式波能转化装置内部的水位；

5、所述图像拍摄子系统包括连续激光器、cmos高速相机、第一控制轨道、第二控制轨道；第一控制轨道放置在波浪水槽侧面，第二控制轨道放置在波浪水槽下方，第一控制轨道和第二控制轨道都与波浪传播方向水平，所述的第一控制轨道和第二控制轨道的长度应超过所述的振荡水柱式波能转化装置的宽度，通过多视窗实现全流场的拍摄；连续激光器通过滑动基座安装在第二控制轨道上，在水槽中线的下方，避免所述波浪水槽的边壁效应对测量结果产生干扰，可以发出线性连续激光，连续激光器光轴上安装有鲍威尔透镜，鲍威尔透镜将连续激光器发出的激光光线折射为激光光页，激光光页与波浪传播方向平行；cmos高速相机通过另一个滑动基座安装在第一控制轨道上，用于采集全流场图像数据；

6、数据控制处理系统包括数据采集器、同步器和控制计算机，所述数据采集器连接浪高仪和控制计算机，将浪高仪测量得到的数据收集到控制计算机内，并通过控制计算机进行数据处理得到振荡水柱式波能转化装置周围的速度场，基于速度场计算得到振荡水柱式波能转化装置周围流场的流场q值和涡旋拟能；所述同步器与数据采集器、控制计算机和cmos高速相机连接，用于同步触发浪高仪和cmos高速相机。

7、进一步的，所述造波及监测子系统还包括消波滩，所述消波滩固定于波浪水槽与造波机相对的一端，用于消减投射到波浪水槽末端的波浪能量。所述的消波滩应采用多孔介质材料，并满足反射波浪波高低于到达所属消波滩入射波高的5％。

8、进一步的，所述造波机采用推板式造波机，能够制造实验所需的多种规则波、不规则波。

9、进一步的，所述的造波机能制造根据佛劳德数相似的、适用于我国近海海域的波浪条件。

10、进一步的，所述图像拍摄子系统中，第一控制轨道和第二控制轨道上设置有三个激光校准设备，三个激光校准设备分别用于标定相应控制轨道的垂直位置、横向位置以及相应控制轨道上滑动基座的位置；所述图像拍摄子系统还包括标志粒子，用以实现俘能消浪的复杂流场中的流动可视化。

11、更进一步的，所述标志粒子采用镀银玻璃珠或聚苯乙烯颗粒，所述标志粒子的密度与水接近，随水体运动跟随性好。

12、进一步的，同步器能够触发cmos高速相机和浪高仪同时开始数据记录，并确保每帧图片数据和浪高仪监测数据在时间上对应同步。

13、进一步的，cmos高速相机在移动滑轨上移动时保持相机拍摄方向正对波浪水槽；安装在移动滑轨上的连续激光器和cmos高速相机同步移动，保证拍摄区域被连续激光器照亮。安装连续激光器和cmos高速相机的移动滑轨与波浪水槽间的距离和垂直高度可调，满足拍摄区域覆盖全流场，并且调整过程中轨道方向时刻与波浪水槽轴线方向平行。

14、进一步的，控制计算机能够实现图像数据拼接功能、图像增强功能和数据预先处理功能。

15、本发明还公开了基于上述的振荡水柱式波能转化装置流场测量系统的流场测量方法，所述方法包括：

16、1)将cmos高速相机和连续激光器同步移动，使cmos高速相机正对波浪水槽并能够在若干个位置拍摄振荡水柱式波能转化装置周围的全部流场，将所述若干个位置确定为后续拍摄的视窗位置；

17、2)控制计算机控制造波机开始造波，浪高仪检测波浪传播，当检测到稳定的入射波到达振荡水柱式波能转化装置时，控制计算机发出指令通过同步器控制cmos高速相机和浪高仪开始采集数据，在反射波到达振荡水柱式波能转化装置前或cmos高速相机达到存储容量后，停止浪高仪数据采集和造波机造波；

18、3)重复步骤2)多次，直至拍摄40-100个波浪周期，使得采集的图像数据满足后续相位平均的收敛条件；

19、4)将cmos高速相机和连续激光器移动至下一视窗位置，再次进行拍摄，直至所有视窗位置拍摄完毕，得到全流场图像数据；

20、5)将流场图像序列中的图像通过高通滤波法进行增强，将增强后的图像进行计算处理，对计算得到的结果进行相位平均计算以去除噪声数据，对所有视窗位置的相位平均后的图片进行图像拼接，得到振荡水柱式波能转化装置周围的速度场。

21、进一步的，所述将增强后的图像进行计算处理具体为：

22、(a)将增强后的图像的每相邻两帧均匀划分为若干个查询窗口，首次划分的查询窗口尺寸为32*32pix2；

23、(b)以查询窗口为分析单元，对流场图像序列中相邻的图像进行互相关计算；查找到互相关函数峰值出现的位置即可计算得到查询窗口所对应位置的水体的速度：

24、

25、

26、式中，u，v分别代表查询窗口所对应位置的水体在水平方向和竖直方向的速度，w为计算时间间隔数量，取值为1，δt表示cmos高速相机拍摄两帧图片之间的时间间隔，δx、δy代表通过互相关计算得到的查询窗口所对应位置的水体在两帧中的位移；

27、(c)将增强后的图像重新均匀划分为更小的查询窗口，并将本次划分的更小的查询窗口根据上一次划分的较大的查询窗口得到的水体的位移进行平移，重复步骤(b)的计算；

28、(d)重复步骤(c)3次及以上，得到所有视窗位置的速度场；

29、(e)依次选择2δt、8δt、20δt时间间隔的每两帧增强后的图像，重复步骤，并计算水体的速度，所述计算时间间隔数量w在选择2δt、8δt、20δt时间间隔的增强后的图像时依次取值为2、8、20，得到所有视窗位置在不同时间间隔计算下的速度场；

30、(d)比较不同时间间隔计算得到的互相关函数值大小，筛选互相关函数值超过0.95对应的水体速度，并对每个位置选取其中最小时间间隔计算得到的水体速度，作为该位置的流速测量结果，将筛选后得到的流速测量结果重组构成最终结果流场。

31、进一步的，在图像拼接时，应满足重合区域宽度大于两视窗piv互相关视窗误差边缘宽度的两倍，通过对相邻视窗的重合区域根据距边缘距离取加权平均进行图片的拼合。

32、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果有：

33、(1)本发明采用cmos高速相机和连续激光器的组合，并搭配高通滤波图像增强技术，实现了对流场进行高时间解析度的拍摄，克服了传统piv方法由于拍摄频率较低导致流场分析时间分辨率不足的问题，提供了更详细的流场演化过程数据，完善了对于快速演变的振荡水柱式波能转化装置流场的分析能力；

34、(2)本发明采用多步求解法，采用由大到小不同的查询窗口进行互相关分析，克服了传统piv方法利用较大查询窗口提高最大速度测量范围时导致的结果空间分辨率过低的问题，在实现振荡流场内较大速度测量范围的同时保证了流场测量结果具有较高的空间分辨率；

35、(3)本发明采用多时间间距算法，克服了采用单一时间间距对流场进行求解时，很难精确求解流场内差异较大的所有流速的问题，在求解涉及水体往复流动及旋涡运动等现象存在的流速梯度较大的复杂流场时具有更高的精确性，提高了分析振荡水柱波能转化装置周围流场内的复杂流动现象的能力。