PIV技術在冰蓋下復式斷面渠道流速測量中的運用

鄒德昊，王 濤，路錦枝，戴長雷

(1.黑龍江大學水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗，北京 100038；3.黑龍江大學寒區地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080)

隨著測試技術的發展，一些先進的測試方法應運而生其中就包括粒子圖像測速(particle image velocimetry，PIV)技術。PIV技術[1]是在動態圖像捕捉技術和應用圖像處理算法技術相結合的基礎上發展起來的一種多維無干擾測試流場的方法，其優勢在于與被測流體介質無接觸的測量方式及能夠得到測量區域內瞬時的流場分布。在PIV技術的研究歷程中，有兩點值得注意：一是如何獲取高質量的圖像，二是如何使匹配算法的精確性和準確度得到提高。PIV 技術的圖像處理方法主要根據流場中示蹤粒子的位置坐標決定的，依據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法[2]。Adrian[3]首先提出了PIV方法，張瑋等[4]通過試驗驗證了PIV技術對于研究復雜的流體運動結構的實用性。本文嘗試將PIV技術引入到冰蓋下的流場、流速的模型試驗中。

1 PIV技術在水力學試驗中的運用

PIV技術可應用在水力學模型試驗的流速測量領域。水體在流動過程中裹挾著水中的示蹤粒子，可以看作是一個協同流動的過程。李琳等[5]在試驗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或跟隨水體運動變形發生位移，所以認為該示蹤粒子能間接的體現水體的流動狀態。陳凱霖等[6]將粒子圖像測速技術應用于明渠流場試驗的水流交匯區的相關研究中，用于測定摻混區水面比降隨匯流比之間的關系。

1.1 引入PIV技術到冰蓋下復式斷面渠道模型試驗

冰蓋下復式斷面渠道模型試驗中需要對水流進行循環供應，應用傳統的測量方式時，一些學者采用超長渠道進行設計，雖然可以得到較小的水面波動，但受到試驗場地、儀器、設備尺寸、儀器擺放空間有限且操作困難的限制，因而測量結果具有一定的誤差。一方面由于應用PIV技術的測量環境對光源具有相應的要求，故渠道不能設計得過長；另一方面采用PIV技術描繪出水體中的示蹤粒子的位移場，有助于揭示冰蓋下復式斷面渠道復雜水流的結構。

1.2 PIV技術基本原理

假設高速照相機所拍攝第一張被激光照亮的粒子在坐標系中的二維坐標可以用f(a，b)表示，經過Δt時間后，高速照相機拍攝的第二張照片的粒子坐標可以用g(a，b)在同一坐標系下表示，兩者相關性如下

(1)

式中，R(i，j)表示f(a，b)和g(a，b)之間的相關性。當R(i，j)的值取最大時，兩個函數坐標f(a，b)和g(a，b)可以看作是相同的粒子的位置坐標；i和j為f和g的發生的相對位移，已設定的相機采樣曝光時間間隔為Δt，借此可以計算出粒子的實際速度

(2)

式中，vx和vy為蹤粒子沿x方向和y方向的平均速度。當Δt的值極小時，vx和vy就可以表示瞬時速度。粒子的位置坐標經處理可獲得流場分布圖，瞬時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可表示流場的性質[7]。

試驗采用的坐標系原點取在測量斷面深槽底部中間位置，其中主槽的水流方向為x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。試驗時利用刻度尺測量出試驗區的水深并標定。利用高速高清照相機拍照取樣，將水體在曝光時間間隔像分割成若干均勻單元體。在指定的測量區域里，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行坐標匹配和運算，依據坐標關系確定該示蹤粒子在流場中的速度矢量，同時可得到該示蹤粒子的坐標位移，再依據比尺系數轉換得到物理位移。對水體變形前后所有單元體進行類似運算就可以得到整個位移場。

圖1 PIV信息采集原理示意

2 試驗過程與分析

2.1 試驗裝置及試樣

試驗裝置由主槽循環水箱、水泵、變頻器、電磁流量計、推拉式水位控制尾門、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。通過變頻器對水泵進行精準控制、電磁流量計進行觀測，在閉合循環水系統中嚴格控制復式斷面水槽的流量，配合消能裝置達到近似均勻流。消能裝置用于消耗動能確保水流均勻穩定，水位可通過安裝在下游的尾門的開閉尺度進行調節。主槽長20 m、寬1.2 m。試驗采用有機玻璃搭建的模型渠道，在渠道底部每4 m設置一個測壓管出口。水箱采用水泥磚砌并做防水處理，在上游水箱內設置花墻，渠道要搭建在入流水箱正中央以保證入流對稱。在入水口處設置穩流板和消波網以減少進水流態的波動從而使出水更加穩定。由于試驗周期較長，為減少因管道銹蝕造成流量不穩的情況，供水管道均為直徑300 mm的PVP管道。

圖2 循環水箱等試驗裝置

PIV系統由體現流場動態的示蹤粒子、對比成像系統和后期圖像處理運算系統構成，進行流場測量時，將水體摻入適量空心玻璃珠，或其他比重與水體相當的示蹤粒子，這些粒子還應當具有高反光性的特點。當被測斷面被高強度激光照射時，測量斷面會形成粒子光斑，通常使用超高速照相機采集示蹤粒子的位置變化圖像，通過識別匹配粒子對后，對示蹤粒子的前后位置坐標進行計算分析得到速度矢量分布圖[8]。

2.2 數據采集系統

本次的試驗中，使用的PIV系統是由美國TSI公司生產的，該系統的硬件系統由進行失蹤粒子圖像采集和分析的計算機以及脈沖激光器、旋轉激光探臂、超高速相機、變壓操控器、激光同步控制器組成，軟件系統包含INSIGHT 3G(集成調節、運算、識別一體的軟件)、TECPLOT等后處理軟件。

PIV觀測系統主要由3個部分構成。一是激光控制和影像采集系統。激光的強弱、頻率可通過激光控制器或計算機內控制軟件進行定量控制，相機的光圈可以調節圖片的亮度。二是由旋轉激光探臂、高強度脈沖激光器和超高速相機組成的圖像捕捉系統。相機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變形。相機曝光間隔和脈沖激光發射頻率隨試驗中模型運動速度的不同而改變。三是圖像處理系統。圖像處理系統主要由計算機內置的程序軟件構成。

2.3 試驗過程

采用在上游設置穩流板控制水流波動，由于試驗選用的水泵功率較高，所以在混凝土磚砌水箱中設置了一道花墻，用來穩定水管的出流，防止入水口水流輸入不均勻、不對稱。開啟水泵后使水流循環5 min后，多次測量水位，當水位不再發生肉眼可見變化時，流量調節完畢，整個過程需平緩，以免使管道進流摻氣。激光器安置板放置完成后，依次安裝激光發生器、激光轉向鏡頭、照相機三腳架，隨后設置拍攝儀器，將上述儀器與電腦相連并檢查無誤后，開啟設備進行測試工作。試驗工況選擇了表1所示的3種進流量。穩定流量冰蓋下復式斷面水流的流態均為恒定流，經前期試驗，以現有條件的渠道，當流量過大時，水面波動異常劇烈且穩流板和消波網壅水嚴重。所以本次試驗最大進流量為87.80 L/s。

表1 冰蓋下復式斷面流速分布測量工況

在進行試驗時，光源的強度和成像設備的性能成為了獲取示蹤粒子高質量圖像的關鍵因素，示蹤粒子的直徑通常幾十微米到幾百微米不等，對光的散射作用較差，因此在進行測量時，外界干擾光源越少越好，故將室內的燈光關閉，形成暗室的效果。在試驗過程中，試驗人員佩戴護目鏡進行操作，在更換測量斷面時，需要將激光調節至最小，以防對試驗人員的眼睛造成損傷。拍攝完一組圖片后應將激光器關閉后，再進行其他操作。PIV流場測試試驗中，被脈沖激光照射的示蹤粒子反射光被超高速相機捕捉，兩次曝光中的反射光的位置為坐標，通過這個位置坐標的變化和經歷的時間來實現流速的測量。為防止其他色光對水中粒子反射激光造成干擾，將采集的圖像設定為灰度照片。

2.4 試驗結果分析

本次研究使用聲學多普勒超聲測速儀(ADV)采集的復核數據，包括軟件控制部分和硬件分析器以及一個側向的爪式Vectrino+探頭。在進行冰蓋下復式斷面流速測量實驗時，將多普勒超聲三維流速儀安置在滑道上的可調節高度的支架上，以減少手持儀器對測量造成的波動影響，從而使獲得的數據更為可靠。支架上安裝有刻度尺，便于精確地移動儀器。為使ADV達到更好的測量效果，在準備測量的同時，在上游遠離測點處的水中混入細砂，使超聲波在水中可以采集到更好的回聲。在測量過程中發現水泵會對多普勒超聲三位測速儀的測量結果產生一定的影響，這是因為水泵在運行的時候，產生的超聲波會干擾到儀器的探頭所要采集的回聲，為此，須將測點安置在盡量遠離水泵的位置。ADV所測得的同一斷面數據和PIV經過計算濾定獲得的數據的對比如圖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為流速測量的盲區，故使用PIV對所測得的數據進行補充。由圖3可以看出，在一定范圍內，PIV所測得的數據和ADV所測得的數據吻合較好，此外其他斷面的數據也吻合良好，下面將進一步確定PIV技術應用于冰蓋下復式斷面流速分布測量的可行性。

圖3 PIV和ADV的流速數據對比

試驗實現了對冰蓋下測量斷面的流速的等時效性的瞬間采集，試驗中，采用變頻器對水泵進行操控，并對不同流量下的斷面流速分布進行采集。使用分析軟件對冰蓋下復式斷面水流的流場進行分析，對的水體中的示蹤粒子和其他顆粒位移進行分析，結果見圖4。從圖4可以看出，存在局部的流場分布不均勻的現象。對圖4b中流場的不均勻片段出現的原因分析如下：①深槽區激光需要穿過更厚的水體，水流的輕微波動都會引起一定的光的折射，對成像會造成不同程度的擾動。②少量的示蹤粒子和黏粒附著在有機玻璃壁上，造成與其他運動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為考慮試驗模型結構強度，有機玻璃部件之間相接處會加固處理，且有機玻璃壁的材料特性易形成劃痕，這些瘢痕也會對示蹤粒子的圖像捕捉產生一定程度的影響。這些造成軟件無法識別粒子的問題有待于在以后試驗中改進。

圖4 斷面流速分布

3 結 論

本文中的試驗運用PIV技術測量了冰蓋下復式斷面水流中的示蹤粒子的位移場，進而得到斷面流速分布，對比顯示，PIV所測數值與傳統方法測值吻合較好。PIV測量斷面流場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力的作用而產生的能量損失。綜上所述，利用PIV技術對冰蓋下復式斷面的流速分布的測量可行，且相對于傳統方法更加準確、便捷、全面，利用PIV(顆粒圖像測速技術)進行測量有以下幾點優勢：

(1)可以不接觸水體，減少測量探頭對水流流場的干擾造成的誤差。

(2)可以減少大量的測量盲區，使測量數據更加全面。比如在水面下1 cm范圍內和水流邊壁處為ADV的探頭測量盲區。

(3)PIV可以獲得同一流場瞬時斷面的大量數據，在現有的數據處理技術基礎之上，可以對流場以及流態進行深入地剖析。

(4)可以大大減少測量時間，由此也可以降低水循環系統發生微變對系統產生的誤差。

(5)獲得了冰蓋下復式斷面渠道的橫向流速分布圖，在本試驗條件下，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測速獲得的該區域流速數據量特別大，因而對數據的濾定處理和去噪是該方法的處理難點。本文試驗中采用的是二維測量成像系統，今后還可以繼續開發三維的測量系統，可以更全面直觀地獲得流體運動狀態的相關信息。