[发明专利]一种流体表面二维流速场测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种流体运动特征测量方法，特别是涉及一种流体表面二维流速场的非接触式测量方法，属于水利工程、测量技术领域。

背景技术

流体的表面流速场是流体表面的速度分布特征，是描述流体运动、运行特征的重要物理量。流体表面二维流速场具有非定常特性，是一种复杂而又普遍地反映自然本质的物理过程。流体力学中许多疑难问题的突破都取决于流速场测试技术的进展。

泥石流是一种特殊流体。在其相关研究试验中，泥石流流速的分布和计算是泥石流运动力学研究的核心问题之一，泥石流流速场也是各类泥石流防治工程设计中的核心参数。作为一种复杂的多相非牛顿体，无论是在野外原型观测条件下还是室内实验条件下，泥石流表面二维流速场的测量，特别是精度测量，都存在较多困难。再加之泥石流运动时产生的强破坏力，使得泥石流表面二维流速场的测量愈加困难。目前，泥石流表面二维流速场研究主要采用数值模拟进行，尚无能对泥石流表面二维流速场进行精确测量的方法。

现有技术中用于测量流体表面流速的方法主要有三种，分别是粒子图像测速技术(PIV， particle image velocimetry)、基于网格对象跟踪的测量技术、基于多普勒效应的电磁波测量技术。

粒子图像测速技术是七十年代末发展起来的一种瞬态、多点、无接触式的激光流体力学测速方法。近几十年来得到了不断完善与发展，并且成为主流的流体表面流速场测量方法。该技术缺陷主要在于两点：一是必须在流体中掺入密度与流体相当并具有很好的跟随性的示踪粒子，通过追踪示踪粒子来测得流速场。这在许多实际场景中是不可能实现的，比如在沟道中实际运动的泥石流。二是PIV设备多限于实验室内部，流体规模很小，成像设备视角狭窄，无法胜任野外流体表面场的测量。三是PIV实验无法满足泥石流试验的需求，泥石流流体为浑浊的流体，泥浆包裹着示踪粒子，无法通过图像设备来追踪示踪粒子的运动轨迹。

基于网格对象跟踪的实时流体表面速度测量方法是由网络摄像头、路由器和计算机组成的监测系统中，采用图像输入和网格化，网格对像跟踪，实现实时流体速度的监测。该技术缺陷主要在于两点：一是跟踪对象是一个个的网格对象，无法对每个像素进行跟踪，从而无法得到像素级的流速场图。二是该方法需要相机从运行流体上方正对着下方才能得到比较精确的速度，如果相机从别的角度拍摄流体就无法实施其技术。而在实际场景中很难达到从流体正上方往下拍摄这样苛刻的条件。

基于多普勒效应的电磁波测量方法主要利用多普勒效应(Doppler Effect)，即移动物体对所接收的电磁波有频移效应的原理，通过借由频率的改变数值计算出目标与雷达的相对速度，进而得出被测物体的运动速度。该方法可用于测量流体表面流速值，但同样存在两点技术缺陷：一是电磁波发射器或雷达发射器价格昂贵，不可能在野外条件下大量安装使用，因此方法不适用于推广使用。二是该方法仅能测量出一个点或者多个点的表面速度值，不能测量出流体表面的矢量流速场。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种测量流体表面二维流速场的方法。该方法通过对从迎流体运动方向上的任意角度捕捉的流体运动视频进行图像分析，可以实现对运动中流体表面流速场的精确测量。

为实现上述目的，本发明首先提供一种利用正投影拍摄图像测量运动流体表面流速场的方法，其技术方案如下：

一种流体表面二维流速场测量方法，其特征在于：依以下步骤实施：

步骤S1、流体运动影像获取及初始化处理

步骤S11、现场设备安装

在运动流体测量现场安装数字拍摄设备，使拍摄镜头自正上方垂直向下拍摄获得运动流体正投影方向上的流体运动影像；

步骤S12、获取流体运动影像

获取流体运动影像，将影像输入数字处理设备；

步骤S13、图像栅格化处理

拾取流体运动影像上任意静止图像，设置像素参数对图像进行栅格化处理，得到图像栅格点阵；

步骤S14、设置图像处理参数

设置图像处理速率、图像实际处理分辨率、像素参数与实际位移换算比例；

步骤S2、计算流体表面在视觉坐标系xya中的二维流速场

步骤S21、建立流体运动影像三维空间视觉坐标系xyz

在流体运动影像上建立三维空间视觉坐标系xyz获得视觉平面xoy；

步骤S22、计算流体运动图像稠密光流