一种流体三维速度场测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种流体三维速度场测量系统，属于水力学及河流动力学技术领域。
【背景技术】
[0002]模型试验方法被广泛应用于水力学及河流动力学中水体的流态及三维速度场等内容的研究，其中流场测量技术是模型试验方法中的一项重要技术，因此研究流场测量技术对于水力学、河流动力学及相关工程领域的发展具有重要意义。
[0003]目前，已有多种流速测量方法。流速仪是一种应用广泛的传统流速测量仪器，安装方便价格低廉，但是该仪器只能测量一个测量点的流速而非整个流场的流速分布，且仪器本身对被测量点的流速有扰动。空间滤波方法，如平行窄缝光栅和线性光电探测器也可以实现对流体流速的测量，但是该类滤波器结构难以保证较高测量精度，且仅能实现流体单个测量点的流速测量。粒子示踪速度法(简称PTV)和粒子图像速度法(简称PIV)是后续发明的测量流体速度的重要方法，但是这两种方法主要用于流体二维平面速度的测量即测量流体表面的速度场分布。
【发明内容】
[0004]目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种流体三维速度场测量系统。本发明可实现流体内部整个三维速度场的测量、设备简单稳定、荧光斑点数字图解析过程高效、测量结果稳定精度高。
[0005]为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现:
一种流体三维速度场测量系统，包括:实验水槽、悬浮夜光颗粒、垂直(XD工业照相机、水平CCD工业照相机、数据处理计算机，所述实验水槽内设置有待测流体，所述待测流体内均匀分布有悬浮夜光颗粒；所述垂直CCD工业照相机设置在实验水槽正上方，所述水平CCD工业照相机设置在实验水槽侧面，用于拍摄悬浮夜光颗粒在待测流体流动过程中各时刻的分布图；所述数据处理计算机与垂直C⑶工业照相机、水平(XD工业照相机相连接，用于将悬浮夜光颗粒的分布图转换为数字矩阵，并匹配得到待测流体三维速度场。
[0006]所述悬浮夜光颗粒设置水滴结构。
[0007]所述悬浮夜光颗粒的密度与待测流体的密度相同。
[0008]作为优选方案，所述悬浮夜光颗粒的色彩包含多种颜色。
[0009]作为优选方案，所述实验水槽采用透明材质。
[0010]有益效果:本发明提供的一种流体三维速度场测量系统，(1)悬浮夜光颗粒由于同实验流体的密度相同，因此可以在流体的不同位置悬浮，从而能够测量流体的全部三维速度场，而非流体表面的二维速度场；(2)悬浮夜光颗粒在吸收光能后能在一段相对较长的时间内自主发光，因此在黑暗的环境中用工业CCD相机拍摄流体中的悬浮夜光颗粒可以得到对比度很高的图片，方便后续的图片处理和位移解析，同时也保证了所求速度场的精确性；(3)悬浮夜光颗粒为水滴形状、满足发光强度的条件下尽可能小的体积以及其密度与实验所用流体相同，因此该种悬浮夜光颗粒对实验流体的流场干扰小且其跟随性好，能较为准确的反应待测流体的流态；(4)选用了多种颜色的悬浮夜光颗粒混合在一起测量流体的三维速度场，因此通过工业CCD相机获取的不同时间点的图片在进行全场悬浮夜光颗粒的比对与匹配时能优化算法，提高计算效率，缩短计算机时；(5)水栗、离心机或水轮机等结构的模型试验所采用材料不可能全为透明材质，因此常规的方法很难测量其内部的流场。但是本发明所述方法中，悬浮夜光颗粒可以自主发光，只需CCD相机透过结构上一个较小的透明部位即可获取清晰的悬浮颗粒图片；对于大型的河工模型试验，由于测量范围大获取全场的速度场比较困难，但是所述发明方法可以通过简单的测量区域划分，多设置几台CCD相机即可轻松获取全场速度场。因此该方法使用范围广，适应性强。(6)该方法所需设备数量少且设备本身简单、运行稳定也没有高要求的设备安装要求，因此该方法使用简单，测量精度稳定可靠。
【附图说明】
[0011]图1为本发明的结构示意图。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0013]如图1所示，一种流体三维速度场测量系统，包括:实验水槽1、悬浮夜光颗粒2、垂直(XD工业照相机3、水平(XD工业照相机4、数据处理计算机5，所述实验水槽1内设置有待测流体，所述待测流体内均匀分布有悬浮夜光颗粒2 ;所述垂直CCD工业照相机3设置在实验水槽1正上方，所述水平(XD工业照相机4设置在实验水槽1侧面，用于拍摄悬浮夜光颗粒在待测流体流动过程中各时刻的分布图；所述数据处理计算机5与垂直CCD工业照相机3、水平CCD工业照相机4相连接，用于将悬浮夜光颗粒的分布图转换为数字矩阵，并匹配得到待测流体三维速度场。
[0014]具体工作步骤如下:
步骤一:制备悬浮夜光颗粒。所述悬浮夜光颗粒整体为水滴形状；悬浮夜光颗粒具体体积应该在满足CCD工业照相机拍照清晰度的条件下尽可能的小；需要制备多种颜色的悬浮夜光颗粒并将其均匀混合；悬浮夜光颗粒的密度与待测流体的密度一致，使其能在待测流体的各部位相对静止。
[0015]步骤二:C⑶工业相机安装。所述垂直(XD工业相机安装在待测流体正上方。所述水平CCD工业相机安装在水平面内并且可以获取待测流体在竖直方向的清晰照片。当流体待测范围较大时可以布置多个CCD工业相机。
[0016]步骤三:悬浮夜光颗粒分布图的采集。预估待测流体的速度大小，选择合适的CCD工业相机的拍照频率。所用实验准备做好后，在黑暗的条件下开始实验，并用所有的CCD工业相机同时采集不同时间点的悬浮夜光颗粒的分布图，并将所采集的悬浮夜光颗粒的分布图传给所述数据处理计算机。
[0017]步骤四:三维速度场求解。上述数据处理计算机用图形处理软件对传入的悬浮夜光颗粒的分布图进行降噪处理，进一步提高其荧光斑点数字图清晰度。然后利用数字图像处理软件，将悬浮夜光颗粒分布图转换为数字矩阵。
[0018]将不同时刻点采集的悬浮夜光颗粒分布图对应的数字矩阵进行匹配。由于具有不同颜色的悬浮夜光颗粒，在进行匹配时可以采用缩小搜索区域、区分不同颜色的方法来提高数据处理计算机的计算效率。然后计算悬浮夜光颗粒相连两个时刻对应的相对位移，最终得出这两个相连时刻间的平均速度。
[0019]本发明具有设备简单、操作简单、稳定性好、测量精度高、方法适应性强的优点。
[0020]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种流体三维速度场测量系统，其特征在于:包括:实验水槽、悬浮夜光颗粒、垂直(XD工业照相机、水平(XD工业照相机、数据处理计算机，所述实验水槽内设置有待测流体，所述待测流体内均匀分布有悬浮夜光颗粒；所述垂直CCD工业照相机设置在实验水槽正上方，所述水平CCD工业照相机设置在实验水槽侧面，用于拍摄悬浮夜光颗粒在待测流体流动过程中各时刻的分布图；所述数据处理计算机与垂直C⑶工业照相机、水平C⑶工业照相机相连接，用于将悬浮夜光颗粒的分布图转换为数字矩阵，并匹配得到待测流体三维速度场。2.根据权利要求1所述的一种流体三维速度场测量系统，其特征在于:所述悬浮夜光颗粒设置水滴结构。3.根据权利要求1所述的一种流体三维速度场测量系统，其特征在于:所述悬浮夜光颗粒的密度与待测流体的密度相同。4.根据权利要求1所述的一种流体三维速度场测量系统，其特征在于:所述悬浮夜光颗粒的色彩包含多种颜色。5.根据权利要求1所述的一种流体三维速度场测量系统，其特征在于:所述实验水槽采用透明材质。
【专利摘要】本发明公开了一种流体三维速度场测量系统，包括实验水槽、悬浮夜光颗粒、垂直CCD工业照相机、水平CCD工业照相机和数据处理计算机。根据待测流体的测量范围及密度制备满足要求的悬浮夜光颗粒，并将制备好的不同颜色的悬浮夜光颗粒均匀混入待测流体中；用垂直CCD工业照相机和水平CCD工业照相机在黑暗条件下采集待测流体中的悬浮夜光颗粒分布图；数据处理计算机对采集的悬浮夜光颗粒分布图进行图形降噪处理并转换为数字矩阵，再使用经过优化的匹配方法计算各相连时刻的各个夜光颗粒的相对位移，最后获取整个待测流体各时间段的三维速度场。本发明可实现流体的三维位移场测量，设备简单、稳定性好、测量精度高、方法适应性强。
【IPC分类】G01P5/20
【公开号】CN105301282
【申请号】CN201510825956
【发明人】熊勃勃
【申请人】河海大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年11月25日