基于图像测量方法的泄洪洞反弧段掺气水流流场的研究

摘要

水气两相流动是一种最复杂的两相流动，因为它具有可变形的界面和一个可压缩的气相，目前对这类流动的研究非常多，但由于其难度大和受实验手段的限制，一直发展不快。近年来，数字图像测量技术因其具有高灵敏度、高分辨率、非接触性等优点，已成为测量领域中一个新的研究热点。本文结合雅砻江高水头泄洪洞的掺气水流问题，利用图像测量方法对掺气水流流场进行研究。主要研究内容和成果有：
　　(1)应用数字图像处理技术对实际拍摄的水气两相流图像进行处理，将气泡提取出来。采用标签法对气泡进行标记，通过计算获取流场中不同时刻气泡的个数、大小及形心坐标等参数。
　　(2)本文在VC／C++环境下，对四种PTV算法编程实现了粒子的配对，这四种算法分别为PCSS算法、基于粒子群体运动特征的PTV算法、基于粒径配对度和形变配对度的PTV算法和4．FRAME法。本文研究了各算法中参数设定对计算精度，计算速度等的影响，并比较了四种PTV算法的匹配率、误匹配率及运算时间，分析了四种算法的特点及适用性。
　　(3)本文结合基于粒子群体运动特征的PTV算法、4-FRAME法，及基于粒径配对度的PTV算法，提出了一种新的PTV跟踪算法，试验结果表明，该算法能处理气泡的合并、破裂等特殊情况，从而能更精确地对气泡进行跟踪。
　　(4)本文采用图象测量方法对高水头泄洪洞反弧段流场进行了测量。通过计算，获得了水相及气相的切向速度和径向速度沿断面的变化规律；获得了近壁区域气泡的沿程衰减规律。计算结果表明，直径较大的气泡上浮速度比直径较小的气泡上浮速度快，且滞后速度大，说明大气泡更不容易运动到反弧末端，因此，反弧末端的底板和侧墙主要依靠直径较小的气泡保护。文章给出了不同位置气泡的粒径分布规律及泄洪洞内各断面气泡大小与滑移速度关系曲线，这有助于从微观上深入理解掺气减蚀的机理以及认识掺气减蚀的保护作用。

目录

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主要符号表

1 绪论

1.1 研究的背景及意义

1.2 掺气减蚀的研究现状

1.2.1 掺气机理

1.2.2 掺气减蚀机理

1.2.3 掺气减蚀设施的体型

1.2.4 掺气设施的水力特性指标

1.2.5 相似率与比尺效应

1.2.6 龙抬头式泄洪洞掺气减蚀研究现状

1.3 图像测速技术综述

1.4 本文的主要工作

2 试验装置及气泡提取

2.1 试验装置及图像采集系统介绍

2.1.1 试验装置简介

2.1.2 图像采集系统

2.2 气泡的获取

2.2.1 图像预处理

2.2.2 图像分割

2.2.3 气泡参数统计

2.3 小结

3 PTV算法研究

3.1 PTV算法

3.1.1 PCSS算法

3.1.2 基于粒子群体运动特征的PTV算法

3.1.3 基于粒径配对度和形变配对度的PTV算法

3.1.4 四帧法

3.2 PTV算法性能比较

3.2.1 试验参数的确定

3.2.2 PTV算法的性能比较

3.3 本文采用的PTV算法

3.4 错误矢量剔除方法

3.5 小结

4 泄洪洞反弧段流场水气两相流图像测量的实验结果及分析

4.1 前言

4.1.1 实验工况

4.1.2 坐标系建立

4.1.3 拍摄位置的确定

4.1.4 速度分量定义

4.2 水流流场的测量

4.2.1 样本数的确定

4.2.2 水流流场的计算结果及分析

4.3 反弧段气泡运动特性的研究

4.3.1 近壁面区域气泡个数沿程分布

4.3.2 气泡的滑移速度及粒径分布

4.4 小结

5 总结与展望

5.1 研究结论

5.2 进一步研究工作展望

致谢

参考文献

附录