一种基于PIV和PTV技术的流体流动与固体运动信息同步测试方法和装置

摘要

本发明涉及实验流体力学中非接触式的流场测量领域，具体涉及一种基于PIV和PTV技术的流体流动与固体运动信息同步测试方法和装置。本发明将粒子图像测速(PIV)技术和粒子图像追踪(PTV)技术耦合，用尺度极小的示踪粒子来代替并标记液体流场中的流体质点，在固体与液体相交边界处使用罗丹明试剂进行标记，在波长532nm激光的照射下，用高速相机记录被标记的流体质点运动轨迹以及标记的物体边界运动轨迹，能够在一次试验中同时获得流场的流动信息和物体的运动信息，避免了重复试验之间的数据测量误差，减少了试验工作量和成本。

说明书

技术领域

本发明涉及实验流体力学中非接触式的流场测量领域，具体涉及一种基于PIV和PTV技术的流体流动与固体运动信息同步测试方法和装置。

背景技术

在流体力学中湍流、涡流等复杂非定常流动的存在使得传统流动显示技术的单点测量已不能满足人们对流体流动认知的需求。这就需要新的测量技术，实现流动显示由单点测量向多点、平面向空间、稳态向瞬态、单相向多相发展(盛森芝,徐月亭,袁辉靖.近十年来流动测量技术的新发展[J].力学与实践,2002,24(5):1-14.)。20世纪80年代，粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术实现了点向面的流场测量，与传统的测试手段相比具有无接触、瞬态、全局的测量优点，是近代流动显示技术的最重要突破之一。在这种由示踪粒子图像进行流场信息还原的流动显示技术中，根据流场中示踪粒子密度的大小划分为三种形式，当图像中示踪粒子密度较低时可以检测出单个示踪粒子，称为粒子图像追踪(Particle Tracking Velocimetry，PTV)技术；当图像中示踪粒子密度中等时需用统计标准进行粒子评估，称为粒子图像测速(Particle Image Velocimetry，PIV)技术；当图像中示踪粒子密度较高时粒子相互重叠形成斑点，称为激光斑点测速(Laser SpeckleVelocimetry，LSV)技术(Raffel M.Particle Image Velocimetry:A Practical Guide[M]//Particle image velocimetry:a practical guide.2007:216-216.)。

PTV技术是从拉格朗日角度的观点去分析流场中有限个流体质点的运动轨迹，而PIV技术和LSV技术是从欧拉角度的观点去分析流场中全局的流体微团运动，在流场流动信息方面的测量相比于LSV，PIV和PTV具有良好的精度而被广泛应用于实验流体力学中。通常人们仅仅使用上述的某一种方法去测量流体的运动信息，即在观测区域中仅仅只有液体流场信息，如圆柱的尾涡区域、翼型的尾迹区域等(Wang Yong,Hao Nansong,Geng Zihai,等。但是人们越来越渴望获得流体与固体间相互作用的机理，观察新的流动现象，目前在进行测试试验时，首先通常使用PIV技术来对流场信息进行测量，再进行重复试验使用速度计或图像观测方法对固体的运动信息进行观测，这种方法既可以获得流场的流动信息也可以获得物体的运动信息，但是两次试验之间是独立进行得，具有一定的不确定度，并且这样操作会使试验工作量成倍增加(Shams A,Jalalisendi M,Porfiri M.Experiments on thewater entry of asymmetric wedges using particle image velocimetry[J].Physicsof Fluids,2015,27(2):060803-612.)。本发明提出的一种基于PIV和PTV技术的流体流动与固体运动信息同步测试方法和装置，能够在一次试验中同时获得流场的流动信息和物体的运动信息，便于操作和实现，避免了重复试验之间的系统误差，降低了试验工作量，提高试验数据获取的效率。

发明内容

本发明提供了一种基于PIV和PTV技术的流体流动与固体运动信息同步测试方法和装置，其目的是在应用PIV技术获得流场流动结构的同时应用PTV技术获得流场中物体的运动信息，避免了重复试验之间的系统误差，减少了试验工作量。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于PIV和PTV技术的流体流动与固体运动信息同步测试方法和装置，具体包括如下步骤：

1.在测试区域的流场中布撒有浓度均匀的示踪粒子来标记流场，该示踪粒子密度与流体介质相等。

2.使用罗丹明试剂标记固体中与液体相交处的边界部分，记录下固体边界的外形，试剂标记的位置以及标记的大小。

3.试验测试时，波长532nm的激光器和相应片光源形成激光片光照射测试区域中的流场和固体，流场中的示踪粒子会在激光的照射下被激活照亮，反射出波长532nm的光，这些被照亮的示踪粒子代表着流场中的流体质点，同时被照亮的还有处于流场中固体边界，对于没有罗丹明试剂的固体边界部分在激光的照射下会反射出532nm的光，而有罗丹明试剂的固体边界部分在532nm激光的照射下会反射出625nm的光，这些被照亮的固体边界的位移信息同样代表着物体的运动信息。

4.带有625nm低通滤光镜的高速相机拍摄测试区域中流场的流动和物体的运动，625nm低通滤光镜的作用是仅使波长低于625nm的光线通过滤镜，过滤掉高波长的光，因此，带有滤镜的高速相机会记录下液体流场中被激光照亮的示踪粒子和未涂有罗丹明试剂的固体边界部分，涂有罗丹明试剂的部分在高速相机中显示为黑色，表示为固体边界的缺失，即图像像素值为0。

5.试验测试系统的标定，标定的过程实际上就是使高速相机拍摄照片中的像素信息与实际的空间位置进行一一对应，示踪粒子图像的大小反应了测试区域中实际物体的空间大小。

6.应用粒子图像处理模块对高速相机拍摄的包含有固体边界信息的粒子图像进行处理，应用均值滤波器、Gauss低通滤波器、图像掩模算法提取图像中带有示踪粒子的流场部分图像，实现流场中示踪粒子的背景剔除、图像增强和去噪。

7.应用Canny边缘检测算子，边界图像还原算子提取图像中固体边界部分，依据实际的标定信息和罗丹明试剂标记范围大小，仅仅将图像中由于试剂原因显示为黑色部分的固体边界还原出来。

8.应用PIV技术中互相关算法分析粒子图像处理模块提取的示踪粒子图像，得到液体流场流动信息，使用粒子追踪算法分析粒子图像处理模块还原出的固体边界缺失信息图像，该缺失点的运动信息则为物体的运动信息，得到固体的在流场中的运动信息，从而达到在一次测试试验中同时的流场流动和固体运动信息。

上述中边界图像还原算子的实现原理如下：

1.进行高速相机图像的标定，得到的标定信息为m pixel/mm，而罗丹明试剂标记的大小为n mm，应用Canny边缘检测算子检测出处于流场中固体边界，并将像素图像二值化，由于罗丹明试剂和625nm低通滤光镜的存在，图像中显示的固体边界处会在涂有罗丹明试剂处不连续。

2.在图像中以边界的边缘点为圆心即因罗丹明试剂导致图像中信息缺失部分的某一边缘点，以长度m*n pixel为半径进行搜索，若圆上点的像素值为0，则说明该点不属于固体边界，若圆上点的像素值为1，则说明该点是因罗丹明试剂导致图像中信息缺失部分的另一边缘点。

3.确认图像中上述两点的位置信息后，将这两点间的像素值设置为1，丢弃图像上其余像素信息，这样图像中仅仅显示物体边界上被标记的位置信息，根据此图像进行粒子追踪算法得到固体的运动信息。

本发明还提供了一种基于PIV和PTV技术的流体流动与固体运动信息同步测试装置，其目的是这样实现的：

一种基于PIV和PTV技术的流体流动与固体运动信息同步测试装置，具体包括流体场，楔形物块，示踪模块，激光供给模块，受光处理模块，示踪模块包括示踪粒子、罗丹明试剂，激光供给模块包括高能量激光器、片光源，受光处理模块包括高速相机、相机镜头、625nm低通滤光镜。

所述示踪粒子均匀撒在流体中，示踪粒子密度与流体介质相等，罗丹明试剂标记固体中与液体相交处的边界部分。

所述高能量激光器位于流体场右前方，正对着流体场，片光源位于高能量激光器与流体场之间，片光源由一个球面透镜和柱面透镜组成，球面透镜位于柱面透镜前方。

所述高速相机正视于流场中的测试区域，625nm低通滤光镜加装在相机的镜头上。

本发明的有益效果在于：将粒子图像测速(PIV)技术和粒子图像跟踪(PTV)技术耦合，创新性地提出流场流动与固体运动同步测试方法，便于操作和实现，避免了重复试验之间的系统误差，减少了试验工作量，提高试验数据获取的效率。

附图说明

图1为基于PIV和PTV技术的流体流动与固体运动信息同步测试方法和装置的整体结构示意图；

图2为流体流动与固体运动信息同步测试方法和装置的俯视图；

图3为流体流动与固体运动信息同步测试方法和装置的正视图；

图4为激光器部分细节布置图；

图5为高速相机部分细节布置图；

图6为高速相机中呈现的测试区域原始图像；

图7为测试区域中含有示踪粒子的流场区域图像；

图8为测试区域中完整的物体边界图像；

图9为测试区域中被罗丹明试剂标记的物体边界位置信息图像；

图10为基于PIV和PTV技术的流体流动与固体运动信息同步测试方法和装置工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述：

如图1、2、3、4、5所示，图中：1.高速相机，2.相机镜头，3.625nm低通滤光镜，4.罗丹明试剂，5.测试区域，6.下落楔形体物块，7.示踪粒子，8.激光片光，9.片光源，10.高能量激光器，11.自由液面，12.激光点光源，13.球面透镜，14.柱面透镜，15.物体边界，16.涂有罗丹明试剂位置边界图像缺失部分，17.涂有罗丹明试剂位置图像还原部分。本发明中基于PIV和PTV技术的流体流动与固体运动信息同步测试方法和装置包括高速相机1、相机镜头2、625nm低通滤光镜3、罗丹明试剂4、具有一定下落速度的楔形体物块6、示踪粒子7、片光源9、高能量激光器10。该装置中各个部件空间布局如下：高速相机1正视于流场中的测试区域，625nm低通滤光镜3加装在相机的镜头2上，用于过滤相机进光中波长低于625nm的光线；高能量激光器10射出的激光点光源12经过片光源9形成具有一定厚度的激光片光8；激光片光源9由一个球面透镜13和柱面透镜14组成，球面透镜13的主要作用是对激光点光源进行聚焦，控制形成片光的厚度，柱面透镜14的主要作用是将激光点光源扩展成为扇形的激光片光8；激光片光8从测试区域的下方向上照射，激活流场中的示踪粒子7，并照亮楔形体物块6边界；在楔形体物块6的底端边界处涂有罗丹明试剂4进行标记，楔形体物块6以一定初速度进入水中，发生抨击，高速相机1对抨击过程中的流场信息和物体运动信息进行采集。

在进行流体流动与固体运动信息同步测试时，在测试区域的流场中布撒有浓度均匀的示踪粒子来标记流场，该示踪粒子密度与流体介质相等。使用罗丹明试剂标记固体中与液体相交处的边界部分，记录下固体边界的外形，试剂标记的位置以及标记的大小。波长532nm的激光器和相应片光源形成激光片光照射测试区域中的流场和固体，流场中的示踪粒子会在激光的照射下被激活照亮，反射出波长532nm的光，这些被照亮的示踪粒子代表着流场中的流体质点，同时被照亮的还有处于流场中固体边界，对于没有罗丹明试剂的固体边界部分在激光的照射下会反射出532nm的光，而有罗丹明试剂的固体边界部分在532nm激光的照射下会反射出625nm的光，这些被照亮的固体边界的位移信息同样代表着物体的运动信息。带有625nm低通滤光镜的高速相机拍摄测试区域中流场的流动和物体的运动，625nm低通滤光镜的作用是仅使波长低于625nm的光线通过滤镜，过滤掉高波长的光，因此，带有滤镜的高速相机会记录下液体流场中被激光照亮的示踪粒子和未涂有罗丹明试剂的固体边界部分，涂有罗丹明试剂的部分在高速相机中显示为黑色，表示为固体边界的缺失，即图像像素值为0。试验测试系统的标定，标定的过程实际上就是使高速相机拍摄照片中的像素信息与实际的空间位置进行一一对应，示踪粒子图像的大小反应了测试区域中实际物体的空间大小。应用粒子图像处理模块对高速相机拍摄的包含有固体边界信息的粒子图像进行处理，应用均值滤波器、Gauss低通滤波器、图像掩模算法提取图像中带有示踪粒子的流场部分图像，实现流场中示踪粒子的背景剔除、图像增强和去噪。应用Canny边缘检测算子，边界图像还原算子提取图像中固体边界部分，依据实际的标定信息和罗丹明试剂标记范围大小，仅仅将图像中由于试剂原因显示为黑色部分的固体边界还原出来。应用PIV技术中互相关算法分析粒子图像处理模块提取的示踪粒子图像，得到液体流场流动信息，使用粒子追踪算法分析粒子图像处理模块还原出的固体边界缺失信息图像，该缺失点的运动信息则为物体的运动信息，得到固体的在流场中的运动信息，从而达到在一次测试试验中同时的流场流动和固体运动信息。

如图6、7、10所示，图6为高速相机1拍摄的楔形体物块下落过程中某一时刻的原始图像，示踪粒子7、自由液面11和物体边界15会在图像中清晰的显示，而由于被罗丹明试剂标记4的部分发射出来的光线，高速相机捕捉不到，因此该部分会在图像显示为空白。应用粒子图像处理模块对该原始图像进行划分，得到仅仅包含流场示踪粒子的图像，如图7所示，并对示踪粒子图像进行互相关分析得到试验测试时的流场流动信息；同时得到包含有固体边界运动信息的图像，并将由于罗丹明试剂4导致的边界图像缺失部分16进行还原，得到被标记部分的图像还原信息17。边界图像还原算子的实现原理如下：进行高速相机图像的标定，得到的标定信息为m pixel/mm，而罗丹明试剂标记的大小为n mm，应用Canny边缘检测算子检测出处于流场中固体边界，并将像素图像二值化，由于罗丹明试剂和625nm低通滤光镜的存在，图像中显示的固体边界处会在涂有罗丹明试剂处不连续。在图像中以边界的边缘点为圆心即因罗丹明试剂导致图像中信息缺失部分的某一边缘点，以长度m*npixel为半径进行搜索，若圆上点的像素值为0，则说明该点不属于固体边界，若圆上点的像素值为1，则说明该点是因罗丹明试剂导致图像中信息缺失部分的另一边缘点。确认图像中上述两点的位置信息后，将这两点间的像素值设置为1，丢弃图像上其余像素信息，这样图像中仅仅显示物体边界上被标记的位置信息，根据此图像进行粒子追踪算法得到固体的运动信息。

如图8和9所示，将物体边界上被罗丹明试剂4标记的部分17看成是随物体运动而运动的粒子，依据粒子图像追踪算法得到被标记的点的运动信息，这就是物体的运动信息，从而实现在一次测试实验中同时获得流场的流动信息和物体的运动信息。本发明将粒子图像测速(PIV)技术和粒子图像跟踪(PTV)技术耦合，创新性地提出流场流动与固体运动同步测试方法，适用于如震荡圆柱试验、摆动翼型试验、物体落水抨击试验等测试区域中既包含流场流动和固体运动的测试试验，能够在一次试验中同时获得流场的流动信息和物体的运动信息，便于操作和实现，避免了重复试验之间的数据测量误差，减少了试验工作量和成本。

本发明提供了一种基于PIV和PTV技术的流体流动与固体运动信息同步测试方法和装置，其目的是在应用PIV技术获得流场流动结构的同时应用PTV技术获得流场中物体的运动信息，避免了重复试验之间的系统误差，降低了试验工作量。本发明涉及的测试区域是流体与固体相互作用的区域，包含液体流场和固体结构物。以往在进行流体与固体间相互作用试验时，通常保证试验工况相同的情况下将流场流动测试与固体运动的测试区分开来，但是这样实验系统的不确定度会对试验结果造成一定的误差。

本发明的目的是这样实现的：基于PIV(Particle Image Velocimetry，PIV)技术的基本原理，应用尺度极小的示踪粒子来近似的代替并标记液体流场中的流体质点，通过波长532nm激光器显示并标定流体质点处的示踪粒子，应用高速相机记录被标记的流体质点运动的轨迹，通过高速相机极短的时间间隔重现流体质点的速度矢量，得到测试区域中的流场流动信息，同时基于PTV(Particle Tracking Velocimetry，PTV)技术的基本原理，在波长532nm激光的照射下，在固体边界处使用罗丹明试剂进行标记，应用高速相机记录被标记的物体边界运动轨迹，得到测试区域中的固体运动信息。在既包含流场又包含固体的测试区域中，流场的流动会作用于固体结构物上，使结构物发生运动，同时处于流场中结构物运动会改变流场的流动结构，两者相互影响，产生一系列的非定常现象。为了实现流体流动与固体运动信息的同步测试，首先需在测试区域的流场中布撒有浓度均匀的示踪粒子来标记流场，该示踪粒子密度与流体介质相近，对于液体水来说镀银空心玻璃球和聚酰胺粒子等都是良好的选择，对于气体来说固态二氧化碳和聚苯乙烯等是良好的选择，并且示踪粒子的浓度适宜，过低则不足以显示整个流场的流动结构，过高则形成激光散斑，同时使用罗丹明试剂去标记固体中与液体相交处的边界部分，需记录下固体边界的外形，试剂标记的位置以及标记的大小。其次试验测试时，波长532nm的激光器和相应片光源形成激光片光照射测试区域中的流场和固体，流场中的示踪粒子会在激光的照射下被激活照亮，反射出波长532nm的光，这些被照亮的示踪粒子则代表着流场中的流体质点，同时被照亮的还有处于流场中固体边界，对于没有罗丹明试剂的固体边界部分在激光的照射下会反射出532nm的光，而有罗丹明试剂的固体边界部分在532nm激光的照射下会反射出625nm的光，这些被照亮的固体边界的位移信息同样代表着物体的运动信息。之后，带有625nm低通滤光镜的高速相机拍摄测试区域中流场的流动和物体的运动，625nm低通滤光镜的作用是仅仅使波长低于625nm的光线通过滤镜，过滤掉高波长的光。因此，带有滤镜的高速相机会记录下液体流场中被激光照亮的示踪粒子和未涂有罗丹明试剂的固体边界部分，涂有罗丹明试剂的部分在高速相机中显示为黑色，表示为固体边界的缺失，即图像像素值为0。接着进行试验测试系统的标定，标定的过程实际上就是使高速相机拍摄照片中的像素信息与实际的空间位置进行一一对应，示踪粒子图像的大小反应这测试区域中实际物体的空间大小。随后，应用粒子图像处理模块对高速相机拍摄的包含有固体边界信息的粒子图像进行处理，应用均值滤波器、Gauss低通滤波器、图像掩模算法等提取图像中带有示踪粒子的流场部分图像，实现流场中示踪粒子的背景剔除、图像增强和去噪，应用Canny边缘检测算子，边界图像还原算子等提取图像中固体边界部分，依据实际的标定信息和罗丹明试剂标记范围大小，仅仅将图像中由于试剂原因显示为黑色部分的固体边界还原出来。最后，应用PIV技术中互相关算法分析粒子图像处理模块提取的示踪粒子图像，得到液体流场流动信息；使用粒子追踪算法分析粒子图像处理模块还原出的固体边界缺失信息图像，该缺失点的运动信息则为物体的运动信息，得到固体的在流场中的运动信息，从而达到在一次测试试验中同时的流场流动和固体运动信息。

上述中边界图像还原算子的实现原理如下：进行高速相机图像的标定，得到的标定信息为m pixel/mm，而罗丹明试剂标记的大小为n mm，应用Canny边缘检测算子检测出处于流场中固体边界，并将像素图像二值化，由于罗丹明试剂和625nm低通滤光镜的存在，图像中显示的固体边界处会在涂有罗丹明试剂处不连续。在图像中以边界的边缘点为圆心即因罗丹明试剂导致图像中信息缺失部分的某一边缘点，以长度m*n pixel为半径进行搜索，若圆上点的像素值为0，则说明该点不属于固体边界，若圆上点的像素值为1，则说明该点是因罗丹明试剂导致图像中信息缺失部分的另一边缘点。确认图像中这两点的位置信息后，将这两点间的像素值设置为1，丢弃图像上其余像素信息，这样图像中仅仅显示物体边界上被标记的位置信息，根据此图像进行粒子追踪算法得到固体的运动信息。