一种三维脉动流速测量装置的率定系统及方法

摘要

本发明提供一种三维脉动流速测量装置的率定系统及方法，该系统包括玻璃水槽系统、安装固定系统及三维PIV系统；玻璃水槽系统包括玻璃水槽、与玻璃水槽前端连通的水槽进口段、与玻璃水槽后端连通的水槽出口段、与水槽进口段连通的进水管道、安装于玻璃水槽底部的支撑系统、与支撑系统配合联动的水槽调坡装置；水槽进口段附近设有上游水箱，水槽出口段附近设有与水槽出口段连通的下游水箱，上游水箱与下游水箱之间通过回水管道连通，上游水箱与进水管道的一端连通，进水管道上设有水泵；水槽出口段设有尾门。本发明以动水法作为基本方法，采用高精度的PIV系统作为对比测量方法同步测量同一区域，避免了因水流流速不稳定和不均匀产生的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及仪器设备校核领域，具体是一种三维脉动流速测量装置的率定系统及方法。

背景技术

水流流速是水利研究中最基本的一个参数，因此准确的测量水流流速显得尤为重要。水流流速测量仪器有毕托管、旋桨流速仪、热线热膜流速仪、激光多普勒流速仪(LDV)、粒子图像测速仪(PIV) 和超声多普勒流速仪(ADV)等。其中LDV的测量精度较高，PIV 可获得粒子图像范围内的二维流场信息，精度相对较高；LDV和PIV 由于其自身结构，难以在野外进行测量；超声多普勒流速仪ADV则兼顾了一定的便捷性和准确性。因此声学类流速仪在室内研究及野外勘测方面有着较广的应用前景。声学类流速仪通过检测待测水体中的散射粒子的回波信号，经过处理得到相关流速信息，测量原理清晰。基于新开发的超声流速探头，所采用的声波发射材料与传统流速仪有所不同，所以对新型流速超声探头的率定显得十分必要。

目前声学类流速仪的校核方法主要分为静水和动水两大类。静水法多采用自推进式或拖曳式检定车，沿着固定在水槽上方的轨道滑动，为了达到稳定的车速，往往需要较大水槽长度；通过静水法校核流速仪需要不断调整检定车车速才能实现不同工况，并且数据的采集时间受到车速与水槽长度的限制；同时，静水法在校核时，一次行车过程只能检测一个流速分量，在进行三维流速校核时，操作重复且工作量增多；动水法多通过水泵、水槽产生一定流速的水流，使用已知的水体流速率定所测仪器，采用动水法校核时往往面临流速分布不均匀、不稳定等问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提一种三维脉动流速测量装置的率定系统及方法。

本发明采用如下技术方案：

一种三维脉动流速测量装置的率定系统，包括玻璃水槽系统、安装固定系统及三维PIV系统；所述玻璃水槽系统包括玻璃水槽、与玻璃水槽前端连通的水槽进口段、与玻璃水槽后端连通的水槽出口段、与水槽进口段连通的进水管道、安装于玻璃水槽底部的支撑系统、与支撑系统配合联动的水槽调坡装置；水槽进口段附近设有上游水箱，水槽出口段附近设有与水槽出口段连通的下游水箱，上游水箱与下游水箱之间通过回水管道连通，上游水箱与进水管道的一端连通，进水管道上设有水泵；水槽出口段设有尾门，通过所述水槽调坡装置和尾门可实现不同的水流条件；所述安装固定系统用于将安装有超声流速探头的L型测杆在玻璃水槽中不同位置移动，所述三维PIV系统用于获得玻璃水槽中平面三维流速场。

进一步的，所述水槽进口段设有消能格栅，所述进水管道上安装电磁流量计。

进一步的，所述玻璃水槽、水槽进口段、水槽出口段安装于支撑系统，所述支撑系统与地面接触，起承重和支撑作用。

进一步的，所述安装固定系统包括固定支架、水平测架、安装平台、测架固定装置，所述固定支架固定在墙壁上，水平测架通过固定支架吊装于玻璃水槽上方，并与所述玻璃水槽系统分离，测架固定装置通过安装平台固定于水平测架，所述测架固定装置包括L型测杆以及移动机构，所述移动机构用于将L型测杆在竖直方向和水平方向移动。

进一步的，所述移动机构包括直线滑台、T型板、直线滑轨、固定夹、直线滑轨滑块、直线滑台滑块，直线滑台固定于安装平台，直线滑轨与直线滑台通过T型板相连接，形成水平和竖直方向可调节装置；T型板的水平部分呈竖直放置，所述直线滑轨固定于T型板水平部分的上表面，T型板固定于直线滑台；T型板的竖直部分与直线滑台上的直线滑台滑块相连形成整体，通过转中直线滑台的转轮带动螺杆旋转，螺杆的旋转驱动直线滑台滑块进行移动，以此来实现水槽宽度方向上的位移；固定夹固定于直线滑轨的直线滑轨滑块，L型测杆由直线滑轨滑块卡固，超声流速探头内嵌固定于所述L型测杆前端。

进一步的，所述测架固定装置还包括定位锁，直线滑轨滑可沿着直线滑轨滑动并通过定位锁固定于不同的位置处。

进一步的，所述三维PIV系统包括左相机、右相机、激光片光发生器，所述激光片光发射器垂向设置于所述玻璃水槽底部，左相机和右相机布置在玻璃水槽的侧面，左相机和右相机的视角成一定角度，对准水体中被激光片光发射器发出的激光片光照亮的区域，左相机和右相机成像视野的公共区域为测量区域。

进一步的，所述三维PIV系统布置在距离所述水槽进口段不小于 20倍水槽宽度，并且距离水槽出口段不小于10倍水槽宽度的位置处。

一种三维脉动流速测量装置的率定方法，其特征在于采取上述系统进行，所述方法包括如下步骤：

步骤一：打开水泵，使得玻璃水槽内的水流状态趋于恒定；

步骤二：固定安装L型测杆及三维PIV系统，进行三维PIV系统的图像采集及新型流速探头的数据采集；

步骤三：将三维PIV系统所采集的图像信息导入到处理软件中进行二维流场信息的计算并重构出三维流速信息，通过所采集的图像信息进行三维超声流速探头测量水体的精确定位，将三维PIV系统计算结果与三维超声流速探头的计算结果通过不同的参数进行误差分析，进行率定。

进一步的，步骤三具体实现步骤为：

首先，利用利用左、右两台相机拍摄的粒子图像，按照平面二维算法计算平面二维流场；再结合已知的立体成像标定关系，将两个平面二维流场从各自相机的像平面投影到物空间的测量平面；最后，再将平面二维流场重构为测量平面上的平面三维速度场；

然后，导出所述三维PIV系统后处理软件得到的三维平面流速场信息，结合三维PIV系统相机所拍摄的图像，定位至三维超声流速探头的前端，根据超声流速探头测量水体距离超声流速探头前端的距离以及超声流速探头测量水体的长度确定测量水体在平面三维流场中的位置；提取超声流速探头测量水体所包含网格中的流速信息，并进行平均得到PIV对应超声流速探头测点位置处的相关流速信息，以此作为参照对超声流速探头进行校核。

本发明以动水法作为基本方法，同时采用高精度的PIV系统作为对比测量方法同步测量同一区域，避免了因水流流速不稳定和不均匀产生的影响；与静水法相比，所需要的水槽长度较小，流速数据的采集时间也不用受到水槽长度的限制；采用PIV系统作为对比观测手段可以在单次测量中获得3个流速方向的分量，避免了重复操作，大大的减小了工作量。

附图说明

图1是本发明三维脉动流速测量装置的率定系统立结构示意图；

图2是本发明中玻璃水槽系统的俯视图；

图3是本发明中玻璃水槽系统的正视图；

图4是本发明中水平测架及测杆固定装置的示意图；

图5是本发明三维PIV系统后处理软件得到的三维平面流速场信息图。

1—玻璃水槽系统、2—安装固定系统、3—PIV系统、4—固定支架、5—水平测架、6—安装平台、7—测架固定装置、8—进水管道、 9—水槽进口段、10—玻璃水槽、11—水槽出口段、12—尾门、13—水槽调坡装置、14—上游水箱、15—下游水箱、16—支撑系统、17-1—左相机、17-2—右相机、18—激光片光发生器、19—回水管道、20—消能格栅、21—电磁流量计、22—水泵、23—直线滑台、24—T型板、 25—直线滑轨、26—L型测杆、27—固定夹、28—直线滑轨滑块、29—定位锁、30—直线滑台滑块、31—转轮、32—激光片光、33—水流。34-超声流速探头测量水体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明三维脉动流速测量装置的率定系统其中一个实施例，包括玻璃水槽系统1、安装固定系统2及三维PIV系统3。

所述玻璃水槽系统1包括玻璃水槽10、与玻璃水槽10前端连通的水槽进口段9、与玻璃水槽10后端连通的水槽出口段11、与水槽进口段9连通的进水管道8、安装于玻璃水槽10底部的支撑系统16、与支撑系统16配合联动的水槽调坡装置13。水槽进口段9设置有消能格栅20，水槽进口段9附近设有上游水箱14，水槽出口段11附近设有与水槽出口段11连通的下游水箱15，上游水箱14与下游水箱 15之间通过回水管道19连通，上游水箱14与进水管道8的一端连通，进水管道8上设有水泵22。所述进水管道8上安装电磁流量计 21，以进行实时流量记录；水槽出口段11还设有尾门12，通过所述水槽调坡装置13和尾门12可实现不同的水流条件。

所述玻璃水槽10为超白钢化玻璃拼接而成，总长14m，截面宽 30cm，深25cm。所述玻璃水槽10、水槽进口段9、水槽出口段11 安装于支撑系统16上，所述支撑系统16由高强度钢材加工组装而成，与地面接触，起承重和支撑作用。

所述安装固定系统2包括固定支架4、水平测架5、安装平台6、测架固定装置7，水平测架5通过固定支架4吊装于玻璃水槽10上方，并与所述玻璃水槽系统1分离。

所述固定支架4固定在墙壁上，固定支架4的下方悬吊水平测架 5，测架固定装置7通过安装平台6固定于水平测架5，目的是为了将整体的固定装置与玻璃水槽系统1分离，避免了水泵运行时玻璃水槽系统1震动产生的影响。所述固定支架4和水平测架5均采用不锈钢制作，安装平台6采用10mm有机玻璃制作。

如图4所示，所述测架固定装置7包括直线滑台23、T型板24、直线滑轨25、L型测杆26、固定夹27、直线滑轨滑块28、定位锁29、直线滑台滑块30。直线滑台23固定于安装平台6，直线滑轨25与直线滑台23通过T型板24相连接，形成水平和竖直方向可调节装置。具体的，T型板24的水平部分呈竖直放置，所述直线滑轨25通过螺丝固定于T型板24水平部分的上表面，T型板24固定于直线滑台 23。具体的，T型板24的竖直部分与直线滑台23上的直线滑台滑块 30通过螺丝相连，形成整体，通过转中直线滑台23的转轮31带动螺杆旋转，螺杆的旋转驱动直线滑台滑块30进行移动，以此来实现水槽宽度方向上的位移。

固定夹27固定于直线滑轨25的直线滑轨滑块28上，直线滑轨滑块28可以沿着直线滑轨25滑动并通过定位锁29固定于不同的位置处。本实施例中在所述直线滑轨25的上下两端均设有一个直线滑轨滑块28，每一直线滑轨滑块28上都有固定夹27与之相连接，所述固定夹27通过螺丝固定于直线滑轨滑块28，L型测杆26由直线滑轨滑块28卡固，超声流速探头内嵌固定于所述L型测杆26前端。两个直线滑轨滑块28可增加L型测杆26固定时的稳定性，并保持L 型测杆26的垂直。通过定位锁29可以将直线滑轨滑块28固定在直线滑轨25上不同的位置，实现L型测杆26不同高度的调节。分别调整直线导轨25上下滑块和直线滑轨滑块28的位置使得L型测杆26 横杆处于玻璃水槽10中合适位置处并没入水中合适深度处，并且使L型测杆26横杆的轴线与玻璃水槽10轴线平行。

所述三维PIV系统3布置在距离所述水槽进口段9不小于20倍水槽宽度，并且距离水槽出口段11不小于10倍水槽宽度的位置处。所述三维PIV系统3包括左相机17-1、右相机17-2、激光片光发生器18，所述激光片光发射器18垂向设置于所述玻璃水槽10底部，左相机17-1和右相机17-2布置在玻璃水槽10的侧面，左相机17-1 和右相机17-2的视角成一定角度，对准水体中被激光片光发射器18 发出的激光片光32(如图4所示)照亮的区域，两台相机(左相机 17-1和右相机17-2)成像视野的公共区域为测量区域。所述激光片光发生器18产生的激光片光32厚度约为1-3mm，扩散角约为15°-30°，用于照亮待测水体中的待测平面。调整激光片光发射器18的位置使得激光片光32的中心与L型测杆26横杆的轴线相重合。

所述三维PIV系统3的后处理系统采用北京江宜科技有限公司研发的JFM2.0PIV计算软件，其高速粒子图像测速系统TR-PIV (Time-resolved Particle ImageVelocimetry)由图像采集系统与流场计算组成，流场场计算系统基于多次判读、多重网格迭代、图像变形处理算法，系统的整体精度为1％。

三维PIV系统3通过分别计算左右相机(左相机17-1、右相机 17-2)拍摄的连续两帧粒子图像中粒子的移动距离与两帧图像之间的时间间隔到流速信息；计算完成后，根据左右相机的空间关系及成像角度进行三维流速信息的重构，得出平面三维流速场。

如图5，导出所述三维PIV系统后处理软件得到的三维平面流速场信息，结合三维PIV系统相机所拍摄的图像，首先定位至三维超声流速探头的前端，根据超声流速探头测量水体34距离超声流速探头前端的距离L以及超声流速探头测量水体34的长度s确定测量水体在平面三维流场中的位置；图5中，每个网格都包含一个流速数据，提取超声流速探头测量水体所包含网格中的流速信息，并进行平均可得到PIV对应超声流速探头测点位置处的相关流速信息，以此作为参照，对超声流速探头进行校核。

三维超声流速仪的率定的最基本的参数为时均流速，本发明由于引入了三维PIV系统作为对比校验手段，能够得到更为丰富的流速统计量：不同方向的紊动强度σ、偏度系数Sk、峰度系数Ku及雷诺应力 Res。

如图2、图3所示，本发明实施例还提供一种三维脉动流速测量装置的率定方法，其采用上述系统进行，所述方法包括如下步骤：

步骤一：打开水泵22，使得玻璃水槽10内的水流状态趋于恒定。具体的，打开水泵22，水流从进水管道8进入玻璃水槽10的水槽进口段9，经过水槽进口段9及消能格栅20消除大尺度的水流结构，减小对下游试验段的影响；水流经过尾门12进入下游水箱15，所述下游水箱15中的水经过回水管道19进入上游水箱14，所述上游水箱14侧面开孔与水泵22相连，以此形成循环。此外，设置于进水管道8上的电磁流量计21可读取水槽中实时流量，为后续水流参数计算提供数据。水槽进口段9、出口段11均由不锈钢制成；固定于水槽出口段的尾门12协调水槽调坡装置13可实现不同的水流条件。

步骤二：固定安装L型测杆26及三维PIV系统3，进行三维PIV 系统的图像采集及新型流速探头的数据采集。具体的，分别调整直线导轨25上下滑块和直线滑轨滑块28的位置使得L型测杆26横杆处于玻璃水槽10中合适位置处并没入水中合适深度处，并且使L型测杆26横杆的轴线与玻璃水槽10轴线平行；调整激光片光发射器18 的位置使得激光片光32的中心与L型测杆26横杆的轴线相重合；然后进行三维PIV系统的图像采集及新型流速探头的数据采集。

步骤三：将三维PIV系统3所采集的图像信息导入到处理软件中进行二维流场信息的计算并重构出三维流速信息，通过所采集的图像信息进行三维超声流速探头测量水体的精确定位，将三维PIV系统3 计算结果与三维超声流速探头的计算结果通过不同的参数进行误差分析，进行率定。步骤三具体实现步骤如下：

本发明实施例以二维测速系统为基础，使用双相机立体成像技术和三维重构技术；两台相机的光轴与测量平面的垂线之间有一定的透视角，两台相机成像视野的公共区域为测量区域，要求像平面、镜头平面及物平面的延长线相交于一点。

首先，利用利用左、右两台相机拍摄的粒子图像，按照平面二维算法计算平面二维流场；再结合已知的立体成像标定关系，将两个平面二维流场从各自相机的像平面投影到物空间的测量平面；最后，再将平面二维流场重构为测量平面上的平面三维速度场；具体的，通过分别计算左相机17-1、右相机17-2拍摄的连续两帧粒子图像中粒子的移动距离与两帧图像之间的时间间隔到流速信息，计算完成后，根据左右相机的空间关系及成像角度进行三维流速信息的重构，得出平面三维流速场。

然后，导出所述三维PIV系统3后处理软件得到的三维平面流速场信息，结合三维PIV系统3相机所拍摄的图像，定位至三维超声流速探头的前端，根据超声流速探头测量水体34距离超声流速探头前端的距离L以及超声流速探头测量水体34的长度s确定测量水体在平面三维流场中的位置；提取超声流速探头测量水体所包含网格中的流速信息，并进行平均得到PIV对应超声流速探头测点位置处的相关流速信息，以此作为参照对超声流速探头进行校核。

本发明的安装固定系统2与玻璃水槽系统1分离，避免了水泵运行时的震动对超声流速探头测量产生的影响；同时，利用高精度的三维粒子图像测速系统(PIV)系统作为对比观测手段，获得大量丰富的流速数据，通过后续处理可将超声流速探头的待测水团位置对应至三维PIV系统的计算结果中相应坐标处，提取对应坐标附近的流速数据，对超声流速探头进行三维流速的率定。本发明具有流速对比信息丰富，精度高，操作简便，占地较小、用水量小等优点，一次测量过程即可对流速仪进行三维流速校核，工作效率高。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。