粒子图像测速(PIV)技术在水槽波浪中的研究

摘要

粒子图像测速(Particle Image Velocietry，PIV)技术采用高速CCD相机和激光技术进行非接触形式流场测量，通过对所采集的流场图像加以互相关分析以获取流场信息。与传统的测试技术相比，PIV技术避免了测量中测试仪器对流场的干扰，并且克服了以前只能单点测量的缺点，可以获得整个测试流场的瞬时速度场，而且具有较高的精度。随着计算机与图像处理技术的发展，PIV技术取得了长足的进步，逐渐由二维平面发展到三维空间，成为流场测量中的重要手段之一。
　　 本文首先介绍了PIV技术在国内外的发展情况及几个重要的分支，阐述了PIV技术的计算原理、相关理论原理以及系统组成和图像的预处理。其次根据互相关理论发展了一套基于MATLAB与Fortran语言的PIV处理系统程序，实现了操作界面的可视化。为了研究波浪传播演变过程及其在破碎过程中的瞬时流场变化情况，在实验室水槽中进行了详细的波浪实验。首先利用PIV系统程序对规则波从波谷到波峰的传输过程进行了流场计算，给出了波浪的速度方向由后转前的变化过程，并将垂直断面上的速度值与理论值进行对比，取得了较好的匹配性。在此基础上，采用有机玻璃板在水槽中搭建了坡度为1：10的斜坡，对斜坡上卷破波的破碎过程进行了测量计算，为了减小破碎区水自由表面对激光的强散射作用，实验中采用了在水槽底部放置反光镜反射激光以照亮流场的方式。通过对破碎过程进行分析可知，卷破波破碎过程内部流场复杂多变，湍流涡动变化明显，在波浪爬坡过程中，速度逐渐增加，达到破碎状态时水表面速度最大，水舌卷破跌入水中时，涡动和湍流动能变化明显。自由表面上速度值由斜坡前的0.38 m/s增加到了破碎时的1.6m/s，在卷破与二次破碎后流速减少了将近一半。波浪破碎的过程中有明显的涡动与能量损失。

目录

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2粒子图像测速(PIV)技术在国内外的研究发展情况

1.3 PIV技术的几种类型

1.4本文的主要研究内容

第二章 PIV技术原理及计算方法

2.1 PIV技术原理及系统组成

2.1.1 PIV技术原理

2.1.2 PIV系统组成

2.2相关分析理论

2.2.1一维相关函数

2.2.2二维相关函数

2.2.3互相关分析在PIV技术中的应用

第三章 图像处理

3.1图像复原

3.2图像增强

3.2.1灰度变换

3.2.2平滑滤波

3.3小波除噪

3.2.3小波变换理论

3.2.4常用小波函数及降噪过程

第四章 处理程序系统设计

4.1程序设计

4.1.1程序的算法

4.1.2查询窗口的设定

4.1.3程序的界面及分析的实现

4.2程序应用实例

第五章 粒子图像测速技术在水槽波浪中的应用

5.1波浪破碎类型

5.2实验参数

5.2.1微幅波速度场

5.2.2涡量

5.2.3湍流动能

5.3实验设备

5.4规则波的测量

5.4.1规则波矢量场的计算

5.4.2计算结果精度分析

5.5卷破波破碎过程的分析

5.5.1实验数据分析

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

发表论文及参加科研情况说明

致谢