CN115855434A - 一种测量流体对流扩散运动速度场的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于测量流体对流扩散运动速度场的装置及方法，装置包括摄像头（1）、光源（2）、试验水槽（3）、毛玻璃（4）和用于分析处理图像数据的计算机软硬件***（5）。本发明使用光源（2）产生的平行或近似平行光束穿过试验水槽（3），当光束穿过试验水槽（3）内部作对流扩散运动的试验流体后发生偏转，并在毛玻璃（4）上投影形成亮度不同的阴影图像，由摄像头（1）拍摄阴影图像，传输到用于分析处理图像数据的计算机软硬件***（5），通过计算机应用光流技术算法分析阴影图像中流体团随时间的位置变化，得到试验流体对流扩散运动速度场。本发明使用简易的装置即可获取流体内对流扩散运动的速度场，造价低廉、方法简单、使用便利。
Description
技术领域
本发明涉及流体运动测量技术领域，具体涉及一种测量流体对流扩散运动速度场的装置和相应方法。
背景技术
对流扩散是自然环境中重要的流体运动形式，对流扩散现象包括水体内的污染扩散、大气对流、地幔对流等众多物理现象。对流扩散问题主要是研究流体中由流体质点所携带的某种物理量（如温度或溶解于流体中的物质浓度）的运动变化规律，其中流体运动的速度场是研究重点。目前常使用PIV（Particle Image Velocimetry）粒子图像测速法，通过测量示踪粒子在已知时间间隔内的位移来间接地测量流场的瞬态速度分布。若示踪粒子有足够高的流动跟随性，示踪粒子的运动就能够真实地反映流场的运动状态。PIV***由激光发生器、光臂、高速相机、同步器等设备组成，通常价格昂贵，使用时安装布置要求较高，使用并不方便。
流体内部的对流扩散运动，是因为温度或物质浓度不同引起的密度变化，在浮力驱动下运动，而温度或浓度的差异也会使流体的折射率发生改变。阴影法（Shadowgraph）使用光束穿过折射率不同的流体，光线穿过折射率不同的流体会发生偏转，并在投影平面上形成亮度不同的阴影图。使用阴影法可以获取流体内部由于对流扩散形成的动态阴影图像，并直接反映流体内部对流扩散运动过程。光流技术（Optical Flow）通过图像中各像素点亮度在时间上的变化，分析识别出图像中的物体及其运动状态。借助光流技术分析识别阴影图像中的流体团轮廓，比较不同时刻流体团的位置变化，最终可以得到对流扩散运动速度场。
发明内容
为测量流体内部对流扩散运动速度场，提供一种简单易行的方法，通过对流扩散过程中流体团折射率差异形成的阴影图，结合光流技术得到对流扩散运动速度场。
本发明提供一种测量流体内部对流扩散运动速度场的装置及方法，其装置包括摄像头（1）、光源（2）、试验水槽（3）、毛玻璃（4）和用于分析处理图像数据的计算机软硬件***（5）。其中：摄像头（1）轴线和光源（2）的轴线处于同一直线；试验水槽（3）由透明材料制作，并置于摄像头（1）和光源（2）之间，且两侧边壁均与摄像头（1）和光源（2）之间的轴线相垂直；毛玻璃（4）贴在试验水槽（3）靠摄像头（1）一侧边壁之外，毛玻璃（4）上有坐标刻度，用于确定试验图片上各像素点的实际位置；光源（2）产生平行光束，光束穿过试验水槽（3）内做对流扩散运动的流体，由于做对流扩散运动的流体团折射率不同，会导致光线偏转不同，并会在毛玻璃（4）上形成亮度不同的阴影图；做对流扩散运动流体形成的动态阴影图像被摄像头（1）采集后，传输至分析处理图形数据的计算机软硬件***（5），在计算机端使用光流技术算法分析处理动态阴影图像，逐帧或等帧数间隔抽取阴影图像进行分析，由于两帧阴影图像间隔时间很短，做对流扩散运动的微小流体团形状变化不大，且绝大部分流体团仍然在观测区域内，各流体团运动产生的明暗阴影也会移动，但两帧阴影图像的总亮度几乎是不变的，两帧图片中相同的微小流体团对应像素亮度P与流体团移动速度有 ∂P/∂t + u(∂P/∂x) + v(∂P/∂y) = 0 （式中u为x方向速度，v为y方向速度，t为时间）的关系，将图片按相同尺寸正方形划分为多个单元，假定单元内的流体运动一致，即可得到单元内流体的运动速度（u，v）与相邻位置和相邻时刻（下一帧图片）单元亮度关系如下，
上式为超定方程组，可以得到（u，v）的最小二乘解，逐个单元计算即可得到观测区域前一帧图像拍摄时刻的速度场，持续分析试验过程所有图像，最终构建出观测区域各时段流体对流扩散运动速度场。
附图说明
附图1为本发明测量流体对流扩散运动速度场装置的示意图，1为摄像头，2为光源，3为试验水槽，4为毛玻璃，5为计算机软硬件***。
具体实施方式
以下结合附图，通过具体实施例对本发明做进一步阐述。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。
将摄像头（1）轴线和光源（2）的轴线布置在同一直线上；试验水槽（3）置于摄像头（1）和光源（2）之间，保证试验水槽（3）两侧边壁与摄像头（1）和光源（2）轴线垂直，将毛玻璃（4）贴在试验水槽（3）靠摄像头（1）一侧边壁之外；打开光源（2）形成平行光束，光束穿过试验水槽（3）投影在毛玻璃（4）上；开启摄像头（1）并与计算机软硬件***（5）相联接，调整摄像头（1）直至能获取毛玻璃（4）上试验区域内清晰的图像，根据拍摄图像中毛玻璃（4）上的坐标刻度位置，使用线性内插法计算拍摄图像各像素点的实际坐标值；将试验流体注入试验水槽（3）中，形成对流扩散运动，光源（2）产生的平行光束穿过试验流体，在毛玻璃（4）上投影出动态阴影图像；使用摄像头（1）记录动态阴影图像，输入分析处理图形数据的计算机软硬件***（5），通过计算机应用光流技术算法分析阴影图像中流体团随时间的位置变化，得到试验流体对流扩散运动速度场。
Claims (4)
1.一种测量流体对流扩散运动速度场的装置，其特征在于，包括摄像头（1）、光源（2）、试验水槽（3）、毛玻璃（4）和计算机软硬件***（5）；所述摄像头（1）轴线和光源（2）轴线相重合；所述试验水槽（3）由透明材料制作，布置在摄像头（1）和光源（2）之间，试验水槽（3）靠摄像头（1）一侧边壁与摄像头（1）轴线垂直，靠光源（2）一侧边壁与光源（2）轴线垂直。
2.如权利要求1所述的用于测量流体对流扩散运动速度场的装置，其特征在于，所述光源（2）由点光源和透镜组成，光源发出的光束为平行光束。
3.如权利要求1所述的用于测量流体对流扩散运动速度场的装置，其特征在于，所述毛玻璃（4）贴在试验水槽（3）靠摄像头（1）一侧边壁之外，毛玻璃上有坐标刻度。
4.一种测量流体对流扩散运动速度场的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，打开光源（2）形成平行光束，光束穿过试验水槽（3）投影在毛玻璃（4）上，打开摄像头（1）并与计算机软硬件***（5）相联接，调整摄像头（1）直至能获取毛玻璃（4）上试验区域内清晰的图像，根据毛玻璃（4）上的坐标刻度，计算拍摄图像中各像素点的实际坐标值；
步骤2，将试验流体注入试验水槽（3）中，形成对流扩散运动，光源（2）产生的光束穿过试验流体，在毛玻璃（4）上形成动态阴影图像，使用摄像头（1）记录动态阴影图像，输入分析处理图形数据的计算机软硬件***（5）；
步骤3，使用计算机逐帧或等帧数间隔分析阴影图像，将相邻两帧或等帧数间隔的两帧图像划分单元，每个单元都为相同大小的正方形，正方形边长尺寸为8到32个像素点，根据光流技术算法建立各单元内流体运动速度和像素点亮度变化之间关系的方程组，求出各单元内流体运动速度，得到前一帧时刻试验流体对流扩散运动的速度场；
步骤4，持续逐帧或等帧数间隔分析动态阴影图像，得到试验过程中各时刻流体对流扩散运动的速度场。
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| CN202111134268.0A CN115855434A (zh) | 2021-09-27 | 2021-09-27 | 一种测量流体对流扩散运动速度场的装置及方法 |
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Country Status (1)
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2021
- 2021-09-27 CN CN202111134268.0A patent/CN115855434A/zh active Pending
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