PIV技術(shù)在冰蓋下復(fù)式斷面渠道流速測(cè)量中的運(yùn)用

鄒德昊，王 濤，路錦枝，戴長(zhǎng)雷

(1.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，北京 100038；3.黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080)

隨著測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，一些先進(jìn)的測(cè)試方法應(yīng)運(yùn)而生其中就包括粒子圖像測(cè)速(particle image velocimetry，PIV)技術(shù)。PIV技術(shù)[1]是在動(dòng)態(tài)圖像捕捉技術(shù)和應(yīng)用圖像處理算法技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種多維無(wú)干擾測(cè)試流場(chǎng)的方法，其優(yōu)勢(shì)在于與被測(cè)流體介質(zhì)無(wú)接觸的測(cè)量方式及能夠得到測(cè)量區(qū)域內(nèi)瞬時(shí)的流場(chǎng)分布。在PIV技術(shù)的研究歷程中，有兩點(diǎn)值得注意：一是如何獲取高質(zhì)量的圖像，二是如何使匹配算法的精確性和準(zhǔn)確度得到提高。PIV 技術(shù)的圖像處理方法主要根據(jù)流場(chǎng)中示蹤粒子的位置坐標(biāo)決定的，依據(jù)示蹤粒子的分布的稠密不同，可分為高低密度粒子兩種分布相關(guān)法[2]。Adrian[3]首先提出了PIV方法，張瑋等[4]通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了PIV技術(shù)對(duì)于研究復(fù)雜的流體運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的實(shí)用性。本文嘗試將PIV技術(shù)引入到冰蓋下的流場(chǎng)、流速的模型試驗(yàn)中。

1 PIV技術(shù)在水力學(xué)試驗(yàn)中的運(yùn)用

PIV技術(shù)可應(yīng)用在水力學(xué)模型試驗(yàn)的流速測(cè)量領(lǐng)域。水體在流動(dòng)過(guò)程中裹挾著水中的示蹤粒子，可以看作是一個(gè)協(xié)同流動(dòng)的過(guò)程。李琳等[5]在試驗(yàn)中選用玻璃微珠作為示蹤粒子，該粒子密度與水接近且容重小，可以在水體中保持懸浮狀態(tài)或跟隨水體運(yùn)動(dòng)變形發(fā)生位移，所以認(rèn)為該示蹤粒子能間接的體現(xiàn)水體的流動(dòng)狀態(tài)。陳凱霖等[6]將粒子圖像測(cè)速技術(shù)應(yīng)用于明渠流場(chǎng)試驗(yàn)的水流交匯區(qū)的相關(guān)研究中，用于測(cè)定摻混區(qū)水面比降隨匯流比之間的關(guān)系。

1.1 引入PIV技術(shù)到冰蓋下復(fù)式斷面渠道模型試驗(yàn)

冰蓋下復(fù)式斷面渠道模型試驗(yàn)中需要對(duì)水流進(jìn)行循環(huán)供應(yīng)，應(yīng)用傳統(tǒng)的測(cè)量方式時(shí)，一些學(xué)者采用超長(zhǎng)渠道進(jìn)行設(shè)計(jì)，雖然可以得到較小的水面波動(dòng)，但受到試驗(yàn)場(chǎng)地、儀器、設(shè)備尺寸、儀器擺放空間有限且操作困難的限制，因而測(cè)量結(jié)果具有一定的誤差。一方面由于應(yīng)用PIV技術(shù)的測(cè)量環(huán)境對(duì)光源具有相應(yīng)的要求，故渠道不能設(shè)計(jì)得過(guò)長(zhǎng)；另一方面采用PIV技術(shù)描繪出水體中的示蹤粒子的位移場(chǎng)，有助于揭示冰蓋下復(fù)式斷面渠道復(fù)雜水流的結(jié)構(gòu)。

1.2 PIV技術(shù)基本原理

假設(shè)高速照相機(jī)所拍攝第一張被激光照亮的粒子在坐標(biāo)系中的二維坐標(biāo)可以用f(a，b)表示，經(jīng)過(guò)Δt時(shí)間后，高速照相機(jī)拍攝的第二張照片的粒子坐標(biāo)可以用g(a，b)在同一坐標(biāo)系下表示，兩者相關(guān)性如下

(1)

式中，R(i，j)表示f(a，b)和g(a，b)之間的相關(guān)性。當(dāng)R(i，j)的值取最大時(shí)，兩個(gè)函數(shù)坐標(biāo)f(a，b)和g(a，b)可以看作是相同的粒子的位置坐標(biāo)；i和j為f和g的發(fā)生的相對(duì)位移，已設(shè)定的相機(jī)采樣曝光時(shí)間間隔為Δt，借此可以計(jì)算出粒子的實(shí)際速度

(2)

式中，vx和vy為蹤粒子沿x方向和y方向的平均速度。當(dāng)Δt的值極小時(shí)，vx和vy就可以表示瞬時(shí)速度。粒子的位置坐標(biāo)經(jīng)處理可獲得流場(chǎng)分布圖，瞬時(shí)速度由示蹤粒子的平均速度表示，其中，速度的快慢是矢量的模的大小，速度矢量的疏密參數(shù)可表示流場(chǎng)的性質(zhì)[7]。

試驗(yàn)采用的坐標(biāo)系原點(diǎn)取在測(cè)量斷面深槽底部中間位置，其中主槽的水流方向?yàn)閤軸正向，沿渠道方向的流速為u；y軸為垂直于主槽的方向，橫向流速為v；z軸正向垂直渠道底面向上，垂向流速為w。試驗(yàn)時(shí)利用刻度尺測(cè)量出試驗(yàn)區(qū)的水深并標(biāo)定。利用高速高清照相機(jī)拍照取樣，將水體在曝光時(shí)間間隔像分割成若干均勻單元體。在指定的測(cè)量區(qū)域里，將水體變形前的示蹤粒子位置圖像與水體變形后的粒子圖像進(jìn)行坐標(biāo)匹配和運(yùn)算，依據(jù)坐標(biāo)關(guān)系確定該示蹤粒子在流場(chǎng)中的速度矢量，同時(shí)可得到該示蹤粒子的坐標(biāo)位移，再依據(jù)比尺系數(shù)轉(zhuǎn)換得到物理位移。對(duì)水體變形前后所有單元體進(jìn)行類(lèi)似運(yùn)算就可以得到整個(gè)位移場(chǎng)。

圖1 PIV信息采集原理示意

2 試驗(yàn)過(guò)程與分析

2.1 試驗(yàn)裝置及試樣

試驗(yàn)裝置由主槽循環(huán)水箱、水泵、變頻器、電磁流量計(jì)、推拉式水位控制尾門(mén)、消能裝置和模型冰蓋等組成，其中模型冰采用高密度聚氨酯泡沫代替。通過(guò)變頻器對(duì)水泵進(jìn)行精準(zhǔn)控制、電磁流量計(jì)進(jìn)行觀測(cè)，在閉合循環(huán)水系統(tǒng)中嚴(yán)格控制復(fù)式斷面水槽的流量，配合消能裝置達(dá)到近似均勻流。消能裝置用于消耗動(dòng)能確保水流均勻穩(wěn)定，水位可通過(guò)安裝在下游的尾門(mén)的開(kāi)閉尺度進(jìn)行調(diào)節(jié)。主槽長(zhǎng)20 m、寬1.2 m。試驗(yàn)采用有機(jī)玻璃搭建的模型渠道，在渠道底部每4 m設(shè)置一個(gè)測(cè)壓管出口。水箱采用水泥磚砌并做防水處理，在上游水箱內(nèi)設(shè)置花墻，渠道要搭建在入流水箱正中央以保證入流對(duì)稱(chēng)。在入水口處設(shè)置穩(wěn)流板和消波網(wǎng)以減少進(jìn)水流態(tài)的波動(dòng)從而使出水更加穩(wěn)定。由于試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，為減少因管道銹蝕造成流量不穩(wěn)的情況，供水管道均為直徑300 mm的PVP管道。

圖2 循環(huán)水箱等試驗(yàn)裝置

PIV系統(tǒng)由體現(xiàn)流場(chǎng)動(dòng)態(tài)的示蹤粒子、對(duì)比成像系統(tǒng)和后期圖像處理運(yùn)算系統(tǒng)構(gòu)成，進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)量時(shí)，將水體摻入適量空心玻璃珠，或其他比重與水體相當(dāng)?shù)氖聚櫫Ｗ?，這些粒子還應(yīng)當(dāng)具有高反光性的特點(diǎn)。當(dāng)被測(cè)斷面被高強(qiáng)度激光照射時(shí)，測(cè)量斷面會(huì)形成粒子光斑，通常使用超高速照相機(jī)采集示蹤粒子的位置變化圖像，通過(guò)識(shí)別匹配粒子對(duì)后，對(duì)示蹤粒子的前后位置坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算分析得到速度矢量分布圖[8]。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本次的試驗(yàn)中，使用的PIV系統(tǒng)是由美國(guó)TSI公司生產(chǎn)的，該系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)由進(jìn)行失蹤粒子圖像采集和分析的計(jì)算機(jī)以及脈沖激光器、旋轉(zhuǎn)激光探臂、超高速相機(jī)、變壓操控器、激光同步控制器組成，軟件系統(tǒng)包含INSIGHT 3G(集成調(diào)節(jié)、運(yùn)算、識(shí)別一體的軟件)、TECPLOT等后處理軟件。

PIV觀測(cè)系統(tǒng)主要由3個(gè)部分構(gòu)成。一是激光控制和影像采集系統(tǒng)。激光的強(qiáng)弱、頻率可通過(guò)激光控制器或計(jì)算機(jī)內(nèi)控制軟件進(jìn)行定量控制，相機(jī)的光圈可以調(diào)節(jié)圖片的亮度。二是由旋轉(zhuǎn)激光探臂、高強(qiáng)度脈沖激光器和超高速相機(jī)組成的圖像捕捉系統(tǒng)。相機(jī)的鏡頭平面的擺放位置必須與脈沖激光束所在的平面相互垂直，以保證所拍攝的圖像不會(huì)變形。相機(jī)曝光間隔和脈沖激光發(fā)射頻率隨試驗(yàn)中模型運(yùn)動(dòng)速度的不同而改變。三是圖像處理系統(tǒng)。圖像處理系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)內(nèi)置的程序軟件構(gòu)成。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

采用在上游設(shè)置穩(wěn)流板控制水流波動(dòng)，由于試驗(yàn)選用的水泵功率較高，所以在混凝土磚砌水箱中設(shè)置了一道花墻，用來(lái)穩(wěn)定水管的出流，防止入水口水流輸入不均勻、不對(duì)稱(chēng)。開(kāi)啟水泵后使水流循環(huán)5 min后，多次測(cè)量水位，當(dāng)水位不再發(fā)生肉眼可見(jiàn)變化時(shí)，流量調(diào)節(jié)完畢，整個(gè)過(guò)程需平緩，以免使管道進(jìn)流摻氣。激光器安置板放置完成后，依次安裝激光發(fā)生器、激光轉(zhuǎn)向鏡頭、照相機(jī)三腳架，隨后設(shè)置拍攝儀器，將上述儀器與電腦相連并檢查無(wú)誤后，開(kāi)啟設(shè)備進(jìn)行測(cè)試工作。試驗(yàn)工況選擇了表1所示的3種進(jìn)流量。穩(wěn)定流量冰蓋下復(fù)式斷面水流的流態(tài)均為恒定流，經(jīng)前期試驗(yàn)，以現(xiàn)有條件的渠道，當(dāng)流量過(guò)大時(shí)，水面波動(dòng)異常劇烈且穩(wěn)流板和消波網(wǎng)壅水嚴(yán)重。所以本次試驗(yàn)最大進(jìn)流量為87.80 L/s。

表1 冰蓋下復(fù)式斷面流速分布測(cè)量工況

在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，光源的強(qiáng)度和成像設(shè)備的性能成為了獲取示蹤粒子高質(zhì)量圖像的關(guān)鍵因素，示蹤粒子的直徑通常幾十微米到幾百微米不等，對(duì)光的散射作用較差，因此在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，外界干擾光源越少越好，故將室內(nèi)的燈光關(guān)閉，形成暗室的效果。在試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)人員佩戴護(hù)目鏡進(jìn)行操作，在更換測(cè)量斷面時(shí)，需要將激光調(diào)節(jié)至最小，以防對(duì)試驗(yàn)人員的眼睛造成損傷。拍攝完一組圖片后應(yīng)將激光器關(guān)閉后，再進(jìn)行其他操作。PIV流場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)中，被脈沖激光照射的示蹤粒子反射光被超高速相機(jī)捕捉，兩次曝光中的反射光的位置為坐標(biāo)，通過(guò)這個(gè)位置坐標(biāo)的變化和經(jīng)歷的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)流速的測(cè)量。為防止其他色光對(duì)水中粒子反射激光造成干擾，將采集的圖像設(shè)定為灰度照片。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次研究使用聲學(xué)多普勒超聲測(cè)速儀(ADV)采集的復(fù)核數(shù)據(jù)，包括軟件控制部分和硬件分析器以及一個(gè)側(cè)向的爪式Vectrino+探頭。在進(jìn)行冰蓋下復(fù)式斷面流速測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí)，將多普勒超聲三維流速儀安置在滑道上的可調(diào)節(jié)高度的支架上，以減少手持儀器對(duì)測(cè)量造成的波動(dòng)影響，從而使獲得的數(shù)據(jù)更為可靠。支架上安裝有刻度尺，便于精確地移動(dòng)儀器。為使ADV達(dá)到更好的測(cè)量效果，在準(zhǔn)備測(cè)量的同時(shí)，在上游遠(yuǎn)離測(cè)點(diǎn)處的水中混入細(xì)砂，使超聲波在水中可以采集到更好的回聲。在測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)水泵會(huì)對(duì)多普勒超聲三位測(cè)速儀的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，這是因?yàn)樗迷谶\(yùn)行的時(shí)候，產(chǎn)生的超聲波會(huì)干擾到儀器的探頭所要采集的回聲，為此，須將測(cè)點(diǎn)安置在盡量遠(yuǎn)離水泵的位置。ADV所測(cè)得的同一斷面數(shù)據(jù)和PIV經(jīng)過(guò)計(jì)算濾定獲得的數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖3所示。由于冰蓋的存在和ADV爪式探頭的尺寸的影響，冰蓋下1 cm和邊壁以上1 cm為流速測(cè)量的盲區(qū)，故使用PIV對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。由圖3可以看出，在一定范圍內(nèi)，PIV所測(cè)得的數(shù)據(jù)和ADV所測(cè)得的數(shù)據(jù)吻合較好，此外其他斷面的數(shù)據(jù)也吻合良好，下面將進(jìn)一步確定PIV技術(shù)應(yīng)用于冰蓋下復(fù)式斷面流速分布測(cè)量的可行性。

圖3 PIV和ADV的流速數(shù)據(jù)對(duì)比

試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)冰蓋下測(cè)量斷面的流速的等時(shí)效性的瞬間采集，試驗(yàn)中，采用變頻器對(duì)水泵進(jìn)行操控，并對(duì)不同流量下的斷面流速分布進(jìn)行采集。使用分析軟件對(duì)冰蓋下復(fù)式斷面水流的流場(chǎng)進(jìn)行分析，對(duì)的水體中的示蹤粒子和其他顆粒位移進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4可以看出，存在局部的流場(chǎng)分布不均勻的現(xiàn)象。對(duì)圖4b中流場(chǎng)的不均勻片段出現(xiàn)的原因分析如下：①深槽區(qū)激光需要穿過(guò)更厚的水體，水流的輕微波動(dòng)都會(huì)引起一定的光的折射，對(duì)成像會(huì)造成不同程度的擾動(dòng)。②少量的示蹤粒子和黏粒附著在有機(jī)玻璃壁上，造成與其他運(yùn)動(dòng)中的示蹤粒子的圖像的重疊和干擾，從而影響程序的判別。③為考慮試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度，有機(jī)玻璃部件之間相接處會(huì)加固處理，且有機(jī)玻璃壁的材料特性易形成劃痕，這些瘢痕也會(huì)對(duì)示蹤粒子的圖像捕捉產(chǎn)生一定程度的影響。這些造成軟件無(wú)法識(shí)別粒子的問(wèn)題有待于在以后試驗(yàn)中改進(jìn)。

圖4 斷面流速分布

3 結(jié) 論

本文中的試驗(yàn)運(yùn)用PIV技術(shù)測(cè)量了冰蓋下復(fù)式斷面水流中的示蹤粒子的位移場(chǎng)，進(jìn)而得到斷面流速分布，對(duì)比顯示，PIV所測(cè)數(shù)值與傳統(tǒng)方法測(cè)值吻合較好。PIV測(cè)量斷面流場(chǎng)分布圖能夠直觀地反映出水流受渠道邊壁及冰蓋的剪切應(yīng)力的作用而產(chǎn)生的能量損失。綜上所述，利用PIV技術(shù)對(duì)冰蓋下復(fù)式斷面的流速分布的測(cè)量可行，且相對(duì)于傳統(tǒng)方法更加準(zhǔn)確、便捷、全面，利用PIV(顆粒圖像測(cè)速技術(shù))進(jìn)行測(cè)量有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

(1)可以不接觸水體，減少測(cè)量探頭對(duì)水流流場(chǎng)的干擾造成的誤差。

(2)可以減少大量的測(cè)量盲區(qū)，使測(cè)量數(shù)據(jù)更加全面。比如在水面下1 cm范圍內(nèi)和水流邊壁處為ADV的探頭測(cè)量盲區(qū)。

(3)PIV可以獲得同一流場(chǎng)瞬時(shí)斷面的大量數(shù)據(jù)，在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)處理技術(shù)基礎(chǔ)之上，可以對(duì)流場(chǎng)以及流態(tài)進(jìn)行深入地剖析。

(4)可以大大減少測(cè)量時(shí)間，由此也可以降低水循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生微變對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差。

(5)獲得了冰蓋下復(fù)式斷面渠道的橫向流速分布圖，在本試驗(yàn)條件下，前者單位面積流量較后者增大了42%。

有必要指出的是，目前采用PIV測(cè)速獲得的該區(qū)域流速數(shù)據(jù)量特別大，因而對(duì)數(shù)據(jù)的濾定處理和去噪是該方法的處理難點(diǎn)。本文試驗(yàn)中采用的是二維測(cè)量成像系統(tǒng)，今后還可以繼續(xù)開(kāi)發(fā)三維的測(cè)量系統(tǒng)，可以更全面直觀地獲得流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的相關(guān)信息。