CN115901178B - 多体海工结构间波浪共振流场特性的测量***和分析方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种多体海工结构间波浪共振流场特性的测量***和分析方法，该测量***包括：造波机；至少一个粒子图像测速PIV激光发射装置；至少一台相机；同步器，其用于实现造波机、每个PIV激光发射装置和每台相机的同步工作；数据采集装置，数据采集装置分别与同步器和每台相机信号连接，数据采集装置用于控制同步器，以及分别对每台相机采集的图像进行自相关处理，得到多体浮式海工结构的每个间隙对应的局部速度场分布图，以及将每个间隙对应的局部速度场分布图拼接绘制成全局速度场分布图，以及对全局速度分布图进行分析，得到涡量特征参数、湍流动能数据和特定的湍动能耗散率，从而能够提高试验数据精度和可重复性。

Description

多体海工结构间波浪共振流场特性的测量***和分析方法

技术领域

本申请涉及海洋工程技术领域，尤其涉及一种多体海工结构间波浪共振流场特性的测量***和分析方法。

背景技术

目前，现有多体浮式海工结构间隙内波浪共振流场特性的测量分析方法通常是采用粒子图像测速(Particle Image Velocimetry，PIV)技术非接触地测量波浪与结构物相互作用过程的流场特性。但是，当波浪经过窄缝出(入)口时，流体域的突扩(缩)，导致部分波浪能量在窄缝内聚集。相关工程实践和研究均表明，在特定频率波浪作用下，结构间隙内的流体极易发生剧烈的流体振荡运动等强非线性共振运动现象。窄缝间隙内的流场速度变化极快，这时需要极高的分辨率才能精细的捕捉到流场细节，进而揭示其共振运动机理。

现有的测量分析方法中要得到满足要求的流场图片，相机往往具有较高帧率，较高的帧率往往伴随着较低的分辨率或较小的视场角(Field of view，FOV)。因此在测量过程中视场角较大时，相机分辨率相应就非常低，这就导致局部的一些精细流场空间结构和流动特性信息缺失，从而会影响后期试验数据计算分析。而将流场分为多个视场角，而采用多台相机形成多个FOV对流场进行观测或采用单台相机在观测区域进行多次观测，前者成本较高，后者试验次数较高，并且都需要对多个视场角图像进行处理，进行速度场图像拼接时在时间上需要保证连续性，因此这就要求观测中造波机控制器、波高采集装置和PIV试验装置需要进行同步，增大了试验难度。以及脉冲激光发射器虽功率高，但体积大，阻水效应明显不适合开发水下测量***，而连续激光发射器具有体积小，功率较低无法满足高速复杂流场测量要求等。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本申请提供一种多体海工结构间波浪共振流场特性的测量***和分析方法，其解决了现有技术中存在的大范围测量分辨率较低引起的关键流场信息缺失和多视场带来的操作复杂、效率不高问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本申请采用的主要技术方案包括：

第一方面，本申请实施例提供一种多体海工结构间波浪共振流场特性的测量***，该测量***包括：水槽，水槽内设置有多体浮式海工结构；造波机，造波机设置在水槽的一端，造波机用于在水槽内形成波浪；至少一个粒子图像测速法PIV激光发射装置，至少一个PIV激光发射装置中每个PIV激光发射装置均设置在水槽的底部并且每个PIV激光发射装置均设置多体浮式海工结构的一个间隙的下方，每个PIV激光发射装置均用于向对应的间隙发射激光；至少一台相机，至少一台相机中每台相机均设置在多体浮式海工结构的一个间隙的一侧，每台相机用于采集对应间隙的图像；同步器，通过同步器控制处理组件发出序列信号分别与造波机、每个PIV激光发射装置和每台相机信号连接，同步器用于实现造波机、每个PIV激光发射装置和每台相机的同步工作；数据采集装置，数据采集装置分别与同步器和每台相机信号连接，数据采集装置用于控制同步器，以及分别对每台相机采集的图像进行自相关处理，得到多体浮式海工结构的每个间隙对应的局部速度场分布图，以及将每个间隙对应的局部速度场分布图拼接绘制成全局速度场分布图，以及对全局速度分布图进行分析，得到涡量特征参数、湍流动能数据和特定的湍动能耗散率。

因此，本申请通过同步器中的同步器控制处理组件发出信号将至少一台相机、至少一个PIV激光发射装置和造波机进行同步集成，可保证试验操作在毫秒量级上的可重复性，简化试验操作，大大提高试验数据精度和可重复性。

在一个可能的实施例中，第一PIV激光发射装置发射的多个激光脉冲包括第一激光脉冲和第二激光脉冲，与第一PIV激光发射装置对应的第一相机采集的多帧图像包括第i帧图像和第i+1帧图像，第一激光脉冲是在采集第i帧图像的时间段内发射的，第二激光脉冲是在采集第i+1帧的图像的时间段内发射的，并且第一激光脉冲和第二激光脉冲的脉冲间隔时间大于第i帧图像和第i+1帧图像的间隔时间；其中，第一PIV激光发射装置为至少一个PIV激光发射装置中的任意一个PIV激光发射装置。

因此，本申请通过同步器发射控制序列信号将调制激光脉冲与相机跨帧进行同步设置，增大了激光光强，在保证较大测量范围和较短两帧图像间隔的前提下，大大降低图像帧率，从而保证了极高的分辨率，降低试验复杂度，简化了测量数据后处理分析的步骤，从而减少了试验数据测量和分析的时间，进而提高了测试效率。

在一个可能的实施例中，第一调制激光脉冲的峰值和第二调制激光脉冲的峰值之间的间隔时间小于等于1.5毫秒。

因此，本申请通过第一激光脉冲的峰值和第二激光脉冲的峰值之间的间隔时间小于等于1.5毫秒的设置方式，在降低帧率的同时，保证了采集图像的后处理中，准确地计算速度场，对流场进行描述。

在一个可能的实施例中，测量***还包括：至少一个浪高仪，至少一个浪高仪中每个浪高仪均设置多体浮式海工结构的一个间隙内并且每个浪高仪均与数据采集装置数据连接，浪高仪用于测量对应间隙内的浪高；数据采集装置，还用于记录浪高仪数据。

因此，本申请通过浪高仪对多体浮式海工结构间隙内自由面进行准确测量，能有效解决PIV试验中的自由表面识别问题，得到精确的自由表面变化数据。

在一个可能的实施例中，测量***还包括：消波装置，消波装置设置在水槽的远离造波机的一端，消波装置用于防止波浪的反射对入射波浪产生干扰。

因此，本申请通过消波装置对反射波浪进行耗散，减少试验水槽的反射波对结构间隙流场的干扰。

在一个可能的实施例中，每个PIV激光发射装置均设置在水槽底部的透光装置的下方。

因此，本申请通过将所有PIV激光发射装置设置在透光装置的下方，从而能够对PIV激光发射装置进行散热，同时激光通过透光装置可以对更大区域进行照射，展示更细节的流场变化。

在一个可能的实施例中，透光装置呈斜坡状。

第二方面，本申请实施例提供一种多体海工结构间波浪共振流场特性的分析方法，该分析方法应用于多体海工结构间波浪共振流场特性的测量***中的数据采集装置，测量***包括造波机、至少一个粒子图像测速法PIV激光发射装置、至少一台相机、同步器和数据采集装置，分析方法包括：在通过控制同步器实现造波机、至少一个PIV激光发射装置中每个PIV激光发射装置和至少一台相机中每台相机同步工作的情况下，获取每台相机采集的对应间隙的图像；分别对每台相机采集的图像进行自相关处理，得到多体浮式海工结构的每个间隙对应的局部速度场分布图；将每个间隙对应的局部速度场分布图拼接绘制成全局速度场分布图；对全局速度分布图进行分析，得到涡量特征参数、湍流动能数据和特定的湍动能耗散率。

在一个可能的实施例中，第一PIV激光发射装置发射的多个调制激光脉冲包括第一激光脉冲和第二激光脉冲，与第一PIV激光发射装置对应的第一相机采集的多帧图像包括第i帧图像和第i+1帧图像，第一激光脉冲是在采集第i帧图像的时间段内发射的，第二激光脉冲是在采集第i+1帧的图像的时间段内发射的，并且第一激光脉冲和第二激光脉冲的脉冲间隔时间大于第i帧图像和第i+1帧图像的间隔时间；其中，第一PIV激光发射装置为至少一个PIV激光发射装置中的任意一个PIV激光发射装置。

在一个可能的实施例中，第一激光脉冲的峰值和第二激光脉冲的峰值之间的间隔时间小于等于1.5毫秒。

(三)有益效果

本申请的有益效果是：

本申请针对脉冲激光发射器体积大、不适合开发水下测量***等缺点，通过在相机内加入同步器控制处理组件发出序列信号，将连续激光发射装置调制产生激光脉冲，并将调制激光脉冲与相机跨帧进行同步设置，在保证较大测量范围和较短两帧图像间隔的前提下，大大降低图像帧率，从而保证了极高的分辨率。

以及，本申请还通过同步器将至少一台相机、至少一个PIV激光发射装置和造波机进行同步集成，可保证试验操作在毫秒量级上的可重复性，简化试验操作，降低试验复杂度，大大提高试验数据精度和可重复性；同步器保证了测量数据后处理分析中，能快速对比波浪在同一相位上的流场和波高数据，对试验数据进行筛选检验，从而减少了试验数据分析的时间，进而提高了试验效率。

为使本申请实施例所要实现的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本申请实施例提供的一种多体海工结构间波浪共振流场特性的测量***的剖面示意图；

图2示出了本申请实施例提供的一种多体海工结构间波浪共振流场特性的测量***的空间示意图；

图3示出了本申请实施例提供的一种调制激光脉冲和相机跨帧同步关系示意图；

图4示出了本申请实施例提供的一种多体海工结构间波浪共振流场特性的测量***中各装置的同步集成示意图；

图5示出了本申请实施例提供的一种多体海工结构间波浪共振流场特性的分析方法的流程图。

具体实施方式

为了更好的解释本申请，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本申请作详细描述。

为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本申请的示例性实施例。虽然附图中显示了本申请的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本申请，并且能够将本申请的范围完整的传达给本领域的技术人员。

关于波浪作用下海工结构物周围低速流场分布问题，常采用连续激光光源照射示踪粒子，为了获得可以满足计算要求的多帧图像，通常要求相邻的两帧图像的间隔时间不到1.5毫秒，以及相机往往具有较高帧率。

因此，在相机的FOV角想要扩大时，相机分辨率相对就要调低，这就导致局部的一些精致流场空间结构和流动特征信息缺失。而在波浪作用下，多体浮式海工结构间隙内强非线性共振运动中，面临着窄缝内速度变化较大，流场异常复杂和局部细节较难捕捉等难题。以及，在采用粒子图像测速技术对此类复杂流场进行精细测量时，需要两帧图像之间的间隔非常短。以及，在相机的互补性氧化金属半导体(Complementary Metal-OxideSemiconductor，CMOS)图像传感器处于固定带宽的前提下，通常CMOS读取方式中，由于像素读取规模的差异，不同的分辨率对应不同的帧率。然而，想要提高相机的分辨率和增大视场角来捕捉精细的局部流场细节，必然要降低相机的帧率，进而会影响后续的实验数据的计算分析，使得其分析结果不精准。而将流场分为多个视场角，采用多台相机形成多个FOV对流场进行观测或采用单台相机在观测区域进行多次观测，前者成本较高，后者试验次数较高，并且都需要对多个视场角图像进行处理，进行速度场图像拼接时在时间上需要保证连续性，因此这就要求观测中造波机控制器、波高采集装置和PIV试验装置需要进行同步，增大了试验难度。

基于此，本申请实施例提供了一种多体海工结构间波浪共振流场特性的测量***和分析方法，通过同步器将至少一台相机、至少一个PIV激光发射装置和造波机进行同步集成，可保证试验操作在毫秒量级上的可重复性，简化试验操作，大大提高试验数据精度和可重复性。

这里需要说明的是，本申请中的多体海工结构是指多体浮式海工结构。

请参见图1，图1示出了本申请实施例提供的一种多体海工结构间波浪共振流场特性的测量***的剖面示意图。如图1所示，该测量***包括：水槽、造波机、至少一个浪高仪、消波装置、透光装置、数据采集装置、至少一个PIV激光发射装置和多体浮式海工结构。

其中，造波机设置在水槽的一端，并且该造波机可用于在水槽内形成波浪，从而可产生试验所需入射波；在该水槽内还设置有多体浮式海工结构，并且该多体浮式海工结构可具有至少一个间隙。以及，该多体浮式海工结构的具体结构和间隙的间距等均可根据实际需求来进行设置，本申请实施例并不局限于此。例如，该多体浮式海工结构可以是如图1所示的三箱体浮式结构，并且可采用可调节的桁架固定该三箱体浮式结构，以及还可根据实际需求来设置间距等；在该水槽的底部还可设置有至少一个PIV激光发射装置，并且该至少一个PIV激光发射装置中每个PIV激光发射装置均设置在多体浮式海工结构的一个间隙的下方，从而每个PIV激光发射装置可向对应间隙发射激光。例如，在多体浮式海工结构具有第一间隙和第二间隙的情况下，可将第一PIV激光发射装置设置在第一间隙的下方，从而该第一PIV激光发射装置可向第一间隙发射激光，以及还可将第二PIV激光发射装置设置在第二间隙的下方，从而该第二PIV激光发射装置可向第二间隙发射激光。以及，在间隙流场中需要均匀散布示踪粒子，并且示踪粒子可随水体一同运动，从而可通过相机捕捉示踪粒子的轨迹来反映出流场。

此外，继续参见图2，图2示出了本申请实施例提供的一种多体海工结构间波浪共振流场特性的测量***的空间示意图。如图2所示，该测量***除了包括如图1中所示的装置之外，该测量***还包括至少一台相机。其中，至少一台相机中每台相机均设置在水槽的外部，并且每台相机可设置在多体浮式海工结构的一个间隙的一侧，从而每台相机可采集对应的间隙的图像。例如，在多体浮式海工结构具有第一间隙和第二间隙的情况下，可将第一相机设置在第一间隙的一侧，从而该第一相机可采集第一间隙的图像，以及还可将第二相机设置在第二间隙的一侧，并且第一相机和第二相机可处于水槽的同一侧，从而该第二相机可采集第二间隙的图像。也就是说，多体浮式海工结构的两个间隙可以作为两个目标区域，并且两个目标区域中每个目标区域均需要一台相机进行追踪，从而两台相机的视场角可覆盖整个流场，并且每台相机可捕捉到每一个激光脉冲单独的图像帧，从而实现对整个流场变化的采集。

应理解，PIV激光发射装置的参数和相机的参数等均可根据实际需求来进行设置，本申请实施例并不局限于此。

可选地，第一PIV激光发射装置发射的多个调制激光脉冲包括第一激光脉冲和第二激光脉冲，与第一PIV激光发射装置对应的第一相机采集的多帧图像包括第i帧图像和第i+1帧图像，第一激光脉冲是在采集第i帧图像的时间段内发射的，第二激光脉冲是在采集第i+1帧的图像的时间段内发射的，并且第一激光脉冲和第二激光脉冲的脉冲间隔时间大于第i帧图像和第i+1帧图像的间隔时间；其中，第一PIV激光发射装置为至少一个PIV激光发射装置中的任意一个PIV激光发射装置。以及，第一激光脉冲的峰值和第二激光脉冲的峰值之间的间隔时间小于等于1.5毫秒。

例如，请参见图3，图3示出了本申请实施例提供的一种调制激光脉冲和相机跨帧同步关系示意图。如图3所示，第一相机采集的多帧图像包括第1帧图像和第2帧图像，并且第一PIV激光发射装置发射的多个调制激光脉冲包括第一激光脉冲和第二激光脉冲，以及第一激光脉冲是在采集第1帧图像的时间段内发射的，第二激光脉冲是在采集第2帧的图像的时间段内发射的，并且第一激光脉冲和第二激光脉冲的脉冲间隔时间大于第1帧图像和第2帧图像的间隔时间。此外，PIV激光发射装置可采用激光脉冲对目标区域进行照射，激光脉冲的激光峰值时间间隔很短，激光脉冲时间和相机跨帧的关系如图3所示，相机的曝光时间一般为十几毫秒，必然大于激光脉冲时间，而本次试验所用激光脉冲持续时间为1毫秒，要保证到高分辨率的两帧图像，需两个激光脉冲跨越两台相机曝光之间的帧间时间(跨帧)。以及，本试验最终可采集到30帧图像，每对计算图像之间的间隔为1毫秒，这样的设置从而能在保证测量范围和较短的两帧图像间隔的前提下，大大降低图像帧率，得到了高分辨率的图像。

这里需要说明的是，虽然图3是以2帧图像和2个激光脉冲为例来进行描述的，但本领域的技术人员应当理解，其还可包括更多的图像和更多的激光脉冲，以及更多的图像和更多的激光脉冲也可满足上述跨帧同步关系。

以及，继续参见图1，该水槽的底部还可设置有透光装置，并且该至少一个PIV激光发射装置中每个PIV激光发射装置均可设置在透光装置的下方，从而由于PIV激光发射装置的能量最高可达120兆焦耳(mega joule，MJ)，故可将所有的PIV激光发射装置都放置于透光装置的下方，同时激光通过透光装置可以对更大的区域进行照射，展示更细节的流场变化。其中，透光装置的具体形状和材料等均可根据实际需求来进行设置，本申请实施例并不局限于此。例如，该透光材料可放置于多体浮式海工结构的下方，并且该透光材料的前端可呈斜坡状，其试验段呈平面形状，从而该透光材料可以作为多体浮式海工结构下方的地形。

以及，继续参见图1，该水槽中还可设置有至少一个浪高仪，并且至少一个浪高仪中每个浪高仪可设置在多体浮式海工结构的一个间隙内，从而可通过浪高仪测量对应间隙内的浪高，即通过浪高仪实现了对多体浮式海工结构间隙内自由面的准确测量，能有效解决PIV试验中的自由表面识别问题，得到精确的自由表面变化数据。

例如，在多体浮式海工结构具有第一间隙和第二间隙的情况下，可将第一浪高仪设置在第一间隙内，从而可通过第一浪高仪测量第一间隙内的浪高，以及还可将第二浪高仪设置在第二间隙内，从而可通过第二浪高仪测量第二间隙内的浪高。

这里需要说明的是，除了多体浮式海工结构的间隙之外，还可在多体浮式海工结构之外的水体中设置浪高仪(具体可参见图1所示)，本申请实施例并不局限于此。

以及，请参见图1，该水槽中还可设置有消波装置，并且该消波装置可设置在远离造波机的一端，从而可通过消波装置防止波浪的反射对入射波浪产生干扰，即可采用消波装置对反射波浪进行耗散，减少试验水槽的反射波对结构间隙流场的干扰。

以及，为了实现造波机、所有PIV激光发射装置、所有相机和所有浪高仪的同步工作，该测量***还可包括同步器，从而在造波机开始工作的时候，所有相机、所有浪高仪和所有PIV激光发射装置等可同时开始工作，从而通过同步器可将造波机、所有PIV激光发射装置、所有相机和所有浪高仪进行同步集成，保证试验操作在毫秒量级上的可重复性，通过改进计算分析方法，大大降低试验次数，简化试验操作，降低试验复杂度。其中，造波机、所有PIV激光发射装置、所有相机和所有浪高仪与同步器的数据连接方式可根据实际需求来进行设置，本申请实施例并不局限于此。

例如，请参见图4，图4示出了本申请实施例提供的一种多体海工结构间波浪共振流场特性的测量***中各装置的同步集成示意图。如图4所示，同步器分别与造波机、相机、数据采集装置和PIV激光发射装置信号连接，并且数据采集装置还可分别与相机和浪高仪信号连接。以及，在PIV激光发射装置发射激光的光路上还设置有片光元件，并且该片光元件可以是由柱面镜和球面镜组成的，其可调整片光的厚度，实验中应不断调节片光元件以确保观测面位于激光最薄处，使得拍摄到的粒子在同一个平面上。

以及，在做同一入射波高条件的重复试验时，PIV实验中两帧图像的时间差在毫秒级别，不采用电信号同步的重复操作之间会产生很大的误差。本申请实施例中的同步器能消除操作中的误差，保证采集到的同一时间的图像数据处于波浪的同一相位，因此提高了数据分析工作的效率。

以及，继续参见图2，该测量***还可包括数据采集装置，该数据采集装置可记录浪高仪数据，还可向同步器发送控制信号，以便于同步器根据控制信号，分别向造波器的控制器、所有PIV激光发射装置和所有相机发送同步信号，以便于造波器、所有PIV激光发射装置和所有相机同步开始工作，随后该数据采集装置可获取每台相机采集的对应间隙的图像，以及该数据采集装置还可分别对每台相机采集的图像进行自相关处理，得到多体浮式海工结构的每个间隙对应的局部速度场分布图，以及该数据采集装置还可将每个间隙对应的局部速度场分布图拼接绘制成全局速度场分布图，以及该数据采集装置还可对全局速度分布图进行分析，涡量特征参数、湍流动能数据和特定的湍动能耗散率。

应理解，该数据采集装置分别对每台相机采集的图像进行自相关处理，得到多体浮式海工结构的每个间隙对应的局部速度场分布图，以及该数据采集装置将每个间隙对应的局部速度场分布图拼接绘制成全局速度场分布图的具体过程可根据实际需求来进行设置，本申请实施例并不局限于此。

例如，在PIV激光发射装置发射的激光脉冲序列被记录的情况下，该数据采集装置会将获取的图像分割成多个小块部分，并将小块部分称为查询(IA)区域。以及，还可对查询区域的每个图像帧逐像素进行自相关处理，相似的像素会因互相关会产生一个信号峰值，从而识别并确定得到查询区内平均流速，通过子像素插值可以精确测量示踪粒子的位移进而得到精确的速度。以及，通过在整个目标区域内重复对查询区域内进行互相关计算，进而获得整个流场内的示踪粒子速度，最后将每台相机对应的局部速度场分布图拼接绘制成整个速度场分布，得到全局速度场分布图。

还应理解，该数据采集装置还可对全局速度分布图进行分析，得到涡量特征参数、湍流动能数据和特定的湍动能耗散率的具体过程也可根据实际需求来进行设置，本申请实施例并不局限于此。

可选地，在多体浮式海工结构间隙的波浪共振现象中，流体的运动形态属于湍流，故需要通过对PIV采集到的流场数据进行分析计算湍流动能数据和特定的湍动能耗散率以对湍流现象进行描述，湍流动能的能量方程如下：

其中，k表示湍动动能；t表示时间；x_j表示笛卡尔坐标(j＝1，2，3；x₁＝x为流动方向，x₂＝y为横向方向，x₃＝z为垂直方向)；符号<>表示平均量；<u_j>表示平均流速(u＝1，2，3；u₁＝u为流动速度，u₂＝v为横向速度，u₃＝w为垂直速度)；u′_j表示脉动速度；p′为压强；k′为湍流动能k的瞬时值；v为运动粘度；ρ表示流体密度；u′_i和u′_j均可表示为脉动速度，下标i可表示流动方向的脉动速度，下标j可表示垂直方向的脉动速度；s_ij表示脉动应变率；S_ij表示平均应变率；2v<s_ijs_ij>为特定的湍动能耗散率，并且可以用符号ε来表示特定的湍动能耗散率。

以及，k、s_ij、S_ij和ε的定义分别如下：

ε＝2v<s_ijs_ij>；

以及，为了将测量得到的瞬时速度进行分解，可以将瞬时流速分解为平均流速和湍动流速：

以及，可采用集合平均法，每个视场角进行预设次数的相同试验，分别平均每个特定的波浪：

其中，u表示流动方向的平均流速；W表示垂直方向的平均流速；u′表示流动方向的湍动速度；w′表示垂直方向的湍动速度；N表示预设的实验次数，并且N的具体值可根据实际需求来进行设置，本申请实施例并不局限于此。例如，N可以为25。

以及，由于只测量了两个速度分量，故可采用下述公式计算湍流动能：

以及，为推导出特定的湍动能耗散率，假设波动的侧向导数很小，与其余项相比可以忽略，同时假设横向速度梯度项为：

/>

据此，特定的湍动能耗散率的计算公式为：

其中，u′和w′分别表示为流动方向上和垂直方向上的湍动速度、x和z可分别为流动方向和垂直方向，以及该公式右式为不同方向上的脉动流速对不同方向的偏导数。

以及，通过湍流动能数据和特定的湍动能耗散率，可以描述流场的涡旋分布和耗散强度，对流场特性进行分析。

因此，与PIV技术中的连续发光光源相比，本申请可利用连续激光发射器调制的激光脉冲和相机跨帧同步设置方式，得到较短时间间隔下的高分辨率图像，进而能够清晰地识别到间隙流场边界光强较弱处的涡旋运动现象。得益于较大的测量范围，本申请提出的测量分析方法不仅可以观测到整个狭长窄缝内的流场信息，还可以观测到浮体底部大范围的流场变化，观测区域更加全面，相同工作时间下可获得更多的优质试验数据。

以及，本申请还通过同步造波机控制器、激光发射器、高速相机和数字波高仪测量数据，在数据后处理过程中，能快速对比波浪在同一相位上的流场和波高数据，对试验数据进行筛选检验，相比于人工操作试验，出现测量数据不合格情况的概率大大降低。本申请中引入的同步器设置有效降低了试验所需的次数，试验的可重复性得到了有效提高，节约了试验成本，缩短了整个PIV试验测量所需时间。

这里需要说明的是，该***中各个装置的具体装置等均可根据实际需求来进行设置，本申请实施例并不局限于次。

例如，相机可以为高清相机；再例如，PIV激光发射装置可以为连续和体积较小的脉冲激光装置；再例如，浪高仪可以为高精度数字浪高仪和非接触雷达波高仪等。

还应理解，上述多体海工结构间波浪共振流场特性的测量***仅是示例性的，本领域技术人员根据上述的方法可以进行各种变形，该变形之后的方案也属于本申请的保护范围。

请参见图5，图5示出了本申请实施例提供的一种多体海工结构间波浪共振流场特性的分析方法的流程图。具体地，该分析方法应用于多体海工结构间波浪共振流场特性的测量***中的数据采集装置，该测量***包括造波机、至少一个PIV激光发射装置、至少一台相机、同步器和数据采集装置，该分析方法包括：

步骤S510，在通过控制同步器实现造波机、至少一个PIV激光发射装置中每个PIV激光发射装置和至少一台相机中每台相机同步工作的情况下，获取每台相机采集的对应间隙的图像；

步骤S520，分别对每台相机采集的图像进行自相关处理，得到多体浮式海工结构的每个间隙对应的局部速度场分布图；

步骤S530，将每个间隙对应的局部速度场分布图拼接绘制成全局速度场分布图；

步骤S540，对全局速度分布图进行分析，得到涡量特征参数、湍流动能数据和特定的湍动能耗散率。

在一个可能的实施例中，第一PIV激光发射装置发射的多个激光脉冲包括第一激光脉冲和第二激光脉冲，与第一PIV激光发射装置对应的第一相机采集的多帧图像包括第i帧图像和第i+1帧图像，第一激光脉冲是在采集第i帧图像的时间段内发射的，第二激光脉冲是在采集第i+1帧的图像的时间段内发射的，并且第一激光脉冲和第二激光脉冲的脉冲间隔时间大于第i帧图像和第i+1帧图像的间隔时间；其中，第一PIV激光发射装置为至少一个PIV激光发射装置中的任意一个PIV激光发射装置。

在一个可能的实施例中，第一激光脉冲的峰值和第二激光脉冲的峰值之间的间隔时间小于等于1.5毫秒。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程，可以参考前述多体海工结构间波浪共振流场特性的测量***中的相关描述，在此不再过多赘述。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例，或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。

应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本申请可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件来具体体现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。

此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种修改和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也应该包含这些修改和变型在内。

Claims (8)

1.一种多体海工结构间波浪共振流场特性的测量***，其特征在于，包括：

水槽，所述水槽内设置有多体浮式海工结构；

造波机，所述造波机设置在水槽的一端，所述造波机用于在所述水槽内形成波浪；

至少一个粒子图像测速法PIV激光发射装置，所述至少一个PIV激光发射装置中每个PIV连续激光发射装置均设置在所述水槽的底部并且所述每个PIV连续激光发射装置均设置所述多体浮式海工结构的一个间隙的下方，所述每个PIV连续激光发射装置均用于向对应的间隙发射激光；

至少一台相机，所述至少一台相机中每台相机均设置在所述多体浮式海工结构的一个间隙的一侧，所述每台相机用于采集对应间隙的图像；

同步器，所述同步器分别与所述造波机、所述每个PIV连续激光发射装置和所述每台相机信号连接，所述同步器用于实现所述造波机、所述每个PIV连续激光发射装置和所述每台相机的同步工作；

数据采集装置，所述数据采集装置分别与所述同步器和所述每台相机信号连接，所述数据采集装置用于控制所述同步器，以及分别对所述每台相机采集的图像进行自相关处理，得到所述多体浮式海工结构的每个间隙对应的局部速度场分布图，以及将所述每个间隙对应的局部速度场分布图拼接绘制成全局速度场分布图，以及对所述全局场速度分布图进行分析，得到涡量特征参数、湍流动能数据和特定的湍动能耗散率；

第一PIV激光发射装置调制发射的多个激光脉冲包括第一激光脉冲和第二激光脉冲，与所述第一PIV激光发射装置对应的第一相机采集的多帧图像包括第i帧图像和第i+1帧图像，所述第一激光脉冲是在采集所述第i帧图像的时间段内发射的，所述第二激光脉冲是在采集所述第i+1帧的图像的时间段内发射的，并且所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲的脉冲间隔时间大于所述第i帧图像和第i+1帧图像的间隔时间；其中，所述第一PIV激光发射装置为所述至少一个PIV激光发射装置中的任意一个PIV激光发射装置；

其中，所述特定的湍动能耗散率的计算公式为：

其中，ε为所述特定的湍动能耗散率；v为运动粘度；u′和w′分别表示为流动方向上和垂直方向上的湍动速度；x和z分别为所述流动方向和所述垂直方向。

2.根据权利要求1所述的测量***，其特征在于，所述第一激光脉冲的峰值和所述第二激光脉冲的峰值之间的间隔时间小于等于1.5毫秒。

3.根据权利要求1所述的测量***，其特征在于，所述测量***还包括：

至少一个浪高仪，所述至少一个浪高仪中每个浪高仪均设置所述多体浮式海工结构的一个间隙内并且所述每个浪高仪均与所述数据采集装置数据连接，所述浪高仪用于测量对应间隙内的浪高；

所述数据采集装置，还用于记录浪高仪数据。

4.根据权利要求1所述的测量***，其特征在于，所述测量***还包括：

消波装置，所述消波装置设置在水槽的远离所述造波机的一端，所述消波装置用于防止波浪的反射对入射波浪产生干扰。

5.根据权利要求1所述的测量***，其特征在于，每个PIV激光发射装置均设置在所述水槽底部的透光装置的下方。

6.根据权利要求5所述的测量***，其特征在于，所述透光装置呈斜坡状。

7.一种多体海工结构间波浪共振流场特性的分析方法，其特征在于，所述分析方法应用于如权利要求1至6任一项所述的多体海工结构间波浪共振流场特性的测量***中的数据采集装置，所述测量***包括造波机、至少一个粒子图像测速法PIV激光发射装置、至少一台相机、同步器和所述数据采集装置，所述分析方法包括：

在通过控制所述同步器实现所述造波机、所述至少一个PIV激光发射装置中每个PIV激光发射装置和至少一台相机中每台相机同步工作的情况下，获取所述每台相机采集的对应间隙的图像；

分别对所述每台相机采集的图像进行自相关处理，得到多体浮式海工结构的每个间隙对应的局部速度场分布图；

将所述每个间隙对应的局部速度场分布图拼接绘制成全局速度场分布图；

对所述全局速度场分布图进行分析，得到涡量特征参数、湍流动能数据和特定的湍动能耗散率；

第一PIV激光发射装置调制发射的多个激光脉冲包括第一激光脉冲和第二激光脉冲，与所述第一PIV激光发射装置对应的第一相机采集的多帧图像包括第i帧图像和第i+1帧图像，所述第一激光脉冲是在采集所述第i帧图像的时间段内发射的，所述第二激光脉冲是在采集所述第i+1帧的图像的时间段内发射的，并且所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲的脉冲间隔时间大于所述第i帧图像和第i+1帧图像的间隔时间；其中，所述第一PIV激光发射装置为所述至少一个PIV激光发射装置中的任意一个PIV激光发射装置；

其中，所述特定的湍动能耗散率的计算公式为：

其中，ε为所述特定的湍动能耗散率；v为运动粘度；u′和w′分别表示为流动方向上和垂直方向上的湍动速度；x和z分别为所述流动方向和所述垂直方向。

8.根据权利要求7所述的分析方法，其特征在于，所述第一激光脉冲的峰值和所述第二激光脉冲的峰值之间的间隔时间小于等于1.5毫秒。

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