模型試驗大范圍流場實時測量系統(tǒng)研究與應(yīng)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(shù)有限公司，南京 210023)

1 概 述

在水利模型試驗中，往往要進(jìn)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(jì)60年代發(fā)展起來的粒子圖像測速技術(shù)(Particle Image Velocimetry, PIV)，利用光學(xué)技術(shù)和圖像分析技術(shù)，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(yùn)動狀態(tài)。其算法較為復(fù)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(jìn)行計算[1]。PIV技術(shù)適用于測量范圍較小，粒子濃度較高時，局部精細(xì)化流場的測量[8]。

粒子示蹤測速技術(shù)PTV(Particle Tracking Velocimerty)是PIV技術(shù)的一個分支，其原理為識別單個粒子的運(yùn)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(jì)適用[2]。但PTV技術(shù)由于粒子濃度較低，提取流場信息較少，不適用于對流場細(xì)微結(jié)構(gòu)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(shù)及局域網(wǎng)控制各計算機(jī)同步采樣技術(shù)[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(jié)果[5]。

在這些PIV和PTV測速研究中，測量設(shè)備基本相同，但是適用的實驗環(huán)境不同[2，6，8]。在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中，常常是兩種實驗條件并存，所以實現(xiàn)兩種技術(shù)的同時應(yīng)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(shù)疊加應(yīng)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(xì)回旋細(xì)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(jī)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(shù)，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(yīng)比例關(guān)系，將圖像坐標(biāo)與實際模型或原型坐標(biāo)進(jìn)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(jìn)行閾值調(diào)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(yùn)動狀態(tài)時，通過攝像方法記錄顆粒運(yùn)動。采用圖像分析技術(shù)得到粒子的位移，曝光時間間隔為運(yùn)動時間，根據(jù)位移和時間計算運(yùn)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(dú)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(yīng)位置處流體的流速矢量及其他運(yùn)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(luò)、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(jié)構(gòu)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(jī)組成。工業(yè)相機(jī)使用大靶面的CMOS感光芯片，感光質(zhì)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(jìn)行參數(shù)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。千兆網(wǎng)工業(yè)相機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的數(shù)量，組成物聯(lián)網(wǎng)終端陣列，相機(jī)數(shù)量根據(jù)需要擴(kuò)增。

3.1.2 智能通信網(wǎng)絡(luò)

智能通信網(wǎng)絡(luò)由光電轉(zhuǎn)換模塊和光纖等構(gòu)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(zhuǎn)換后，采用光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。光纖線路布設(shè)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(shù)將系統(tǒng)的覆蓋范圍從以往常規(guī)的幾百平方米可擴(kuò)展到上萬平方米。智能通訊網(wǎng)絡(luò)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(shè)相應(yīng)的設(shè)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(dǎo)入模塊、標(biāo)定模塊、流場模塊及后處理軟件模塊構(gòu)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(jié)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(yīng)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(xì)回旋細(xì)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(jié)果。圖5(a)中灰色矢量箭頭為PTV的計算結(jié)果，藍(lán)色矢量箭頭為PIV計算結(jié)果。圖5(b)為兩種算法疊加處理結(jié)果。

圖5 PTV和PIV疊加處理結(jié)果

4 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 應(yīng)用概述

長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院6#實驗基地總面積達(dá)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(diào)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(jī)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(jī)。其中，相機(jī)布設(shè)情況為鐵熊模型1套，窯監(jiān)模型1套，調(diào)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(shè)方案圖。

圖6 采集終端布設(shè)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(shè)圖，圖7中黑色的圓點代表采集終端，一共布設(shè)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(jié)果分析

本系統(tǒng)的相機(jī)安裝于水槽上方約10 m處，垂直角度拍攝，4個相機(jī)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(jī)安裝高度6 m時，12個相機(jī)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(jī)，實現(xiàn)供電和數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r運(yùn)行。如采用普通黑白CCD攝像機(jī)相機(jī)，每臺相機(jī)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(jī)距控制箱距離為20 m計算，每路相機(jī)線纜重量為2 kg/20 m。本系統(tǒng)采用的工業(yè)相機(jī)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(jié)構(gòu)的承重壓力。

長江航道科研實驗基地的大廳長約為200 m，設(shè)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(zhuǎn)換模塊和光纖傳輸，中控室的設(shè)置可不考慮采集終端數(shù)據(jù)傳輸。考慮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(jī)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(shù)，為展示流場運(yùn)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(jié)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(yuǎn)，渦街現(xiàn)象逐漸消失。

由于PTV技術(shù)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(shù)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(shù)為主，測量大范圍的表面流場，在精細(xì)區(qū)域可采用PIV技術(shù)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(jié)果可信。

圖9 流場計算結(jié)果

圖10 流跡線結(jié)果

5 結(jié) 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(luò)、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(yīng)用，可同時滿足大范圍流場跟蹤測量和小范圍精細(xì)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(shè)計研究院新基地進(jìn)行了本系統(tǒng)的測量應(yīng)用，結(jié)果表明，本文研究成果具有較好的適用性和先進(jìn)性。