模型試驗大范圍流場實時測量系統(tǒng)研究與應用

曲兆松，張 娜，陳繼杰，劉佳星，包麗潔

(南京思孚泰科信息技術有限公司，南京 210023)

1 概 述

在水利模型試驗中，往往要進行流場的流速分布測量，早期采用流速儀或表面示蹤計時的方法。其缺點是接觸式，對流場干擾大，測量范圍有限，無法獲取同時刻的大范圍流場信息[4]。20世紀60年代發(fā)展起來的粒子圖像測速技術(Particle Image Velocimetry, PIV)，利用光學技術和圖像分析技術，實現(xiàn)無干擾測量，可提供瞬時全流場。其原理是圖像識別每個網(wǎng)格內(nèi)多個粒子的平均運動狀態(tài)。其算法較為復雜，對于大范圍流場計算量很大，早期受數(shù)據(jù)存儲限制，很難實現(xiàn)實時測量。需先采集圖像存儲下來，然后再進行計算[1]。PIV技術適用于測量范圍較小，粒子濃度較高時，局部精細化流場的測量[8]。

粒子示蹤測速技術PTV(Particle Tracking Velocimerty)是PIV技術的一個分支，其原理為識別單個粒子的運動狀態(tài)。由于其算法簡單，計算速度快，對于測量范圍大，流場粒子濃度較低時的流場測量更加經(jīng)濟適用[2]。但PTV技術由于粒子濃度較低，提取流場信息較少，不適用于對流場細微結構的研究[8]。另外，為實現(xiàn)大范圍流場的實時測量，還需采用視頻信號同步技術及局域網(wǎng)控制各計算機同步采樣技術[3]。其中，視頻信號的傳輸速度和傳輸距離，直接影響流場的測量結果[5]。

在這些PIV和PTV測速研究中，測量設備基本相同，但是適用的實驗環(huán)境不同[2，6，8]。在科學研究和工程應用中，常常是兩種實驗條件并存，所以實現(xiàn)兩種技術的同時應用顯得尤為重要。本文將介紹一種新的大范圍流場實時測量系統(tǒng)，在軟件算法方面，將PIV和PTV技術疊加應用，可實現(xiàn)對粒子低濃度的普通工況和粒子高濃度的精細回旋細節(jié)流場的同步分析計算。在硬件系統(tǒng)方面，采用大靶面的千兆網(wǎng)工業(yè)級高清相機和大容量磁盤陣列，實現(xiàn)大范圍流場的高頻采集和高速計算；利用光纖等技術，保證數(shù)據(jù)傳輸不受限制和傳輸信號不發(fā)生衰減。

2 系統(tǒng)工作流程

本系統(tǒng)的工作流程，首先通過對應比例關系，將圖像坐標與實際模型或原型坐標進行匹配。接下來采集所需拍攝區(qū)域的背景圖像，后續(xù)數(shù)據(jù)處理時，可進行閾值調整將示蹤粒子突出顯示。開始流速測量時，在水面盡可能均勻撒入示蹤粒子，待粒子可穩(wěn)定體現(xiàn)流體運動狀態(tài)時，通過攝像方法記錄顆粒運動。采用圖像分析技術得到粒子的位移，曝光時間間隔為運動時間，根據(jù)位移和時間計算運動速度。PIV和PTV算法核心分別是識別網(wǎng)格內(nèi)粒子的平均位移和單獨粒子的位移，以網(wǎng)格粒子的平均速度或粒子速度，代表其流場內(nèi)相應位置處流體的流速矢量及其他運動參數(shù)。見圖1。

圖1 流場實時測量系統(tǒng)工作流程圖

3 系統(tǒng)介紹

硬件系統(tǒng)包含物聯(lián)網(wǎng)終端陣列、智能通信網(wǎng)絡、系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)存儲中心等3部分。系統(tǒng)框架見圖2。

圖2 系統(tǒng)整體結構圖

3.1 硬件系統(tǒng)

3.1.1 物聯(lián)網(wǎng)終端陣列

物聯(lián)網(wǎng)終端陣列由一部或多部工業(yè)級高清相機組成。工業(yè)相機使用大靶面的CMOS感光芯片，感光質量和空間分辨率較好。并且有千兆網(wǎng)接口，可無損保存原始圖像，還可進行參數(shù)遠程調節(jié)。千兆網(wǎng)工業(yè)相機還具有高數(shù)據(jù)傳輸率和易于集成的特性，適合大規(guī)模組網(wǎng)。相機固定在觀測區(qū)域上方，可根據(jù)現(xiàn)場情況選擇垂直安裝或者傾斜安裝。單路相機拍攝的面積，由安裝高度和角度決定。觀測區(qū)域等條件確定時，可計算實際需要相機的數(shù)量，組成物聯(lián)網(wǎng)終端陣列，相機數(shù)量根據(jù)需要擴增。

3.1.2 智能通信網(wǎng)絡

智能通信網(wǎng)絡由光電轉換模塊和光纖等構成。如果采集終端輸出的電信號直接傳送到電腦上時，傳輸距離50 m時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有丟幀現(xiàn)象。50 m可能為采集終端電信號直接傳輸?shù)臉O限距離。本系統(tǒng)將采集終端輸出的電信號，通過光電模塊信號轉換后，采用光纖網(wǎng)絡進行傳輸。光纖線路布設簡單，傳輸距離不受限制，幾乎沒有信號衰減，保證流場數(shù)據(jù)的完整性。光纖技術將系統(tǒng)的覆蓋范圍從以往常規(guī)的幾百平方米可擴展到上萬平方米。智能通訊網(wǎng)絡根據(jù)接入采集終端數(shù)量、數(shù)據(jù)傳輸距離及實驗規(guī)模，配設相應的設備。

3.1.3 系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)存儲中心

系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)存儲中心用于視頻信號數(shù)據(jù)的管理和存儲。本系統(tǒng)支持包括移動便攜測量等多種測量方式。存儲中心采用大容量的磁盤陣列，可實現(xiàn)流場的高頻采集和高速計算。

3.2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)由導入模塊、標定模塊、流場模塊及后處理軟件模塊構成。支持任意定點流速矢量變化過程的輸出查看，提供流場測量結果的靜態(tài)和動態(tài)顯示功能；后處理及分析模塊提供專業(yè)過濾插值算法、平均流速計算、流量計算、支持PIV、PTV流場計算；具備完善的數(shù)據(jù)回放功能、圖像及視頻錄制、瀏覽及管理功能。

流場測量計算的矢量圖和云圖成果見圖 3和圖 4。

圖3 流場測量矢量圖成果

圖4 流場成果云圖方式顯示

3.3 PTV和PIV算法疊加處理

針對PTV和PIV分別適應于粒子低濃度普通工況的大范圍流場和高濃度粒子的精細回旋細節(jié)流場測量。本系統(tǒng)包括PTV和PIV兩種算法，根據(jù)原始數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)時可選用最佳算法，也可將兩種算法疊加得出流場結果。圖5(a)中灰色矢量箭頭為PTV的計算結果，藍色矢量箭頭為PIV計算結果。圖5(b)為兩種算法疊加處理結果。

圖5 PTV和PIV疊加處理結果

4 系統(tǒng)應用

4.1 應用概述

長江航道規(guī)劃設計研究院6#實驗基地總面積達2×104m2以上，大廳頂部為弧狀，其中有流場測量需求的模型有：鐵熊模型、窯監(jiān)模型、調碾、東流模型和固定玻璃水槽，整體觀測面積約為2 300 m2。綜合考慮每個相機覆蓋面積與現(xiàn)場安裝環(huán)境，最終確定選用1套大范圍表面流場測量系統(tǒng)和3套小范圍表面流場測量系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域，共18路相機。其中，相機布設情況為鐵熊模型1套，窯監(jiān)模型1套，調碾、東流模型1套，還有1套安裝于固定玻璃水槽上方。圖6為相采集終端的布設方案圖。

圖6 采集終端布設方案

其中固定玻璃水槽長60 m，寬4 m。圖 7為在水槽上方采集終端布設圖，圖7中黑色的圓點代表采集終端，一共布設4個，用于觀測水槽中流場情況。本文將重點對本系統(tǒng)在大型試驗水槽上的流場實驗展開討論。

圖7 大型水槽試驗區(qū)域采集終端布置圖

4.2 實驗內(nèi)容和結果分析

本系統(tǒng)的相機安裝于水槽上方約10 m處，垂直角度拍攝，4個相機總覆蓋面積約為360 m2。在觀測三門核電廠潮流泥沙物理模型時，攝像機安裝高度6 m時，12個相機覆蓋的模型面積約為76 m2[6]。相比之下，本系統(tǒng)的終端覆蓋范圍有顯著的優(yōu)勢。本系統(tǒng)采用的千兆網(wǎng)工業(yè)相機，實現(xiàn)供電和數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r運行。如采用普通黑白CCD攝像機相機，每臺相機都配套視頻線和電源線，現(xiàn)場測量線纜重量約為0.05 kg/m，按每路相機距控制箱距離為20 m計算，每路相機線纜重量為2 kg/20 m。本系統(tǒng)采用的工業(yè)相機至少可節(jié)省1/2的線纜重量，節(jié)省安裝成本，減少高空安裝時對大廳結構的承重壓力。

長江航道科研實驗基地的大廳長約為200 m，設計總控室需兼顧試驗水槽和其他物理模型。由于本系統(tǒng)利用光電轉換模塊和光纖傳輸，中控室的設置可不考慮采集終端數(shù)據(jù)傳輸?？紤]到實際試驗的便捷性，固定玻璃水槽的流場觀測選用一套流場測量系統(tǒng)控制4路相機采集數(shù)據(jù)。

試驗中在水槽上游擺放一個障礙物(長1.2 m，寬0.2 m，高0.25 m)，測量下游區(qū)域的流場分布。圖 8為實際采集終端拍攝的試驗場景初始圖像，圖8中白色的小點是示蹤粒子。本系統(tǒng)采用示蹤粒子粒徑為22 mm，跟隨性、分散性、加速性能良好，是國家專利技術，為展示流場運動特性提供保障。

圖8 試驗場景采集圖片

圖9和圖10為PIV和PTV兩種算法疊加處理的流場結果圖。可以看到在障礙物下游，水流變化比較劇烈，呈現(xiàn)出的渦街，受渦旋的離心作用，在局部區(qū)域出現(xiàn)反向流。下游離障礙物越遠，渦街現(xiàn)象逐漸消失。

由于PTV技術跟蹤單個粒子，跟蹤到的流速即是實際的流速，不會出現(xiàn)被均化的效果，并且對環(huán)境光要求不高，降低實驗難度。PIV技術是測量網(wǎng)格窗口內(nèi)粒子的平均速度，對粒子濃度要求很高，粒子濃度直接影響測量精度，而在物理模型范圍大時，需投入大量人力，以保證粒子濃度。所以在本實驗數(shù)據(jù)處理時采用PTV技術為主，測量大范圍的表面流場，在精細區(qū)域可采用PIV技術為輔助，解決粒子在漩渦環(huán)境下跟蹤難度提高的問題。

本系統(tǒng)測量誤差小于3%，圖像校正后的變形誤差小于0.4像素。在利用PTV算法觀測三門核電廠潮流泥沙物理模型的流場時，漲潮時平均流速相對誤差為4.6%，落潮時平均流速相對誤差為1.1%[6]，本系統(tǒng)的成果算法方面有優(yōu)化，且與實際情況相符，計算結果可信。

圖9 流場計算結果

圖10 流跡線結果

5 結 論

本文提出一種模型試驗大范圍表面流場實時測量系統(tǒng)，系統(tǒng)包含物聯(lián)網(wǎng)終端陣列、智能通信網(wǎng)絡、系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)存儲中心、軟件系統(tǒng)等4部分，實現(xiàn)了大范圍圖像同步采集和數(shù)據(jù)傳輸，快速計算流場的實時數(shù)據(jù)；將PIV和PTV算法疊加應用，可同時滿足大范圍流場跟蹤測量和小范圍精細流場觀測，適用于模型試驗大范圍表面流場的同步測量。

在長江航道規(guī)劃設計研究院新基地進行了本系統(tǒng)的測量應用，結果表明，本文研究成果具有較好的適用性和先進性。