鄒德昊，王 濤，路錦枝，戴長雷

(1.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，北京 100038；3.黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080)

隨著測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，一些先進(jìn)的測(cè)試方法應(yīng)運(yùn)而生其中就包括粒子圖像測(cè)速(particle image velocimetry，PIV)技術(shù)。PIV技術(shù)[1]是在動(dòng)態(tài)圖像捕捉技術(shù)和應(yīng)用圖像處理算法技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種多維無干擾測(cè)試流場的方法，其優(yōu)勢(shì)在于與被測(cè)流體介質(zhì)無接觸的測(cè)量方式及能夠得到測(cè)量區(qū)域內(nèi)瞬時(shí)的流場分布。在PIV技術(shù)的研究歷程中，有兩點(diǎn)值得注意：一是如何獲取高質(zhì)量的圖像，二是如何使匹配算法的精確性和準(zhǔn)確度得到提高。PIV 技術(shù)的圖像處理方法主要根據(jù)流場中示蹤粒子的位置坐標(biāo)決定的，依據(jù)示蹤粒子的分布的稠密不同，可分為高低密度粒子兩種分布相關(guān)法[2]。Adrian[3]首先提出了PIV方法，張瑋等[4]通過試驗(yàn)驗(yàn)證了PIV技術(shù)對(duì)于研究復(fù)雜的流體運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的實(shí)用性。本文嘗試將PIV技術(shù)引入到冰蓋下的流場、流速的模型試驗(yàn)中。

1 PIV技術(shù)在水力學(xué)試驗(yàn)中的運(yùn)用

PIV技術(shù)可應(yīng)用在水力學(xué)模型試驗(yàn)的流速測(cè)量領(lǐng)域。水體在流動(dòng)過程中裹挾著水中的示蹤粒子，可以看作是一個(gè)協(xié)同流動(dòng)的過程。李琳等[5]在試驗(yàn)中選用玻璃微珠作為示蹤粒子，該粒子密度與水接近且容重小，可以在水體中保持懸浮狀態(tài)或跟隨水體運(yùn)動(dòng)變形發(fā)生位移，所以認(rèn)為該示蹤粒子能間接的體現(xiàn)水體的流動(dòng)狀態(tài)。陳凱霖等[6]將粒子圖像測(cè)速技術(shù)應(yīng)用于明渠流場試驗(yàn)的水流交匯區(qū)的相關(guān)研究中，用于測(cè)定摻混區(qū)水面比降隨匯流比之間的關(guān)系。

1.1 引入PIV技術(shù)到冰蓋下復(fù)式斷面渠道模型試驗(yàn)

冰蓋下復(fù)式斷面渠道模型試驗(yàn)中需要對(duì)水流進(jìn)行循環(huán)供應(yīng)，應(yīng)用傳統(tǒng)的測(cè)量方式時(shí)，一些學(xué)者采用超長渠道進(jìn)行設(shè)計(jì)，雖然可以得到較小的水面波動(dòng)，但受到試驗(yàn)場地、儀器、設(shè)備尺寸、儀器擺放空間有限且操作困難的限制，因而測(cè)量結(jié)果具有一定的誤差。一方面由于應(yīng)用PIV技術(shù)的測(cè)量環(huán)境對(duì)光源具有相應(yīng)的要求，故渠道不能設(shè)計(jì)得過長；另一方面采用PIV技術(shù)描繪出水體中的示蹤粒子的位移場，有助于揭示冰蓋下復(fù)式斷面渠道復(fù)雜水流的結(jié)構(gòu)。

1.2 PIV技術(shù)基本原理

假設(shè)高速照相機(jī)所拍攝第一張被激光照亮的粒子在坐標(biāo)系中的二維坐標(biāo)可以用f(a，b)表示，經(jīng)過Δt時(shí)間后，高速照相機(jī)拍攝的第二張照片的粒子坐標(biāo)可以用g(a，b)在同一坐標(biāo)系下表示，兩者相關(guān)性如下

(1)

式中，R(i，j)表示f(a，b)和g(a，b)之間的相關(guān)性。當(dāng)R(i，j)的值取最大時(shí)，兩個(gè)函數(shù)坐標(biāo)f(a，b)和g(a，b)可以看作是相同的粒子的位置坐標(biāo)；i和j為f和g的發(fā)生的相對(duì)位移，已設(shè)定的相機(jī)采樣曝光時(shí)間間隔為Δt，借此可以計(jì)算出粒子的實(shí)際速度

(2)

式中，vx和vy為蹤粒子沿x方向和y方向的平均速度。當(dāng)Δt的值極小時(shí)，vx和vy就可以表示瞬時(shí)速度。粒子的位置坐標(biāo)經(jīng)處理可獲得流場分布圖，瞬時(shí)速度由示蹤粒子的平均速度表示，其中，速度的快慢是矢量的模的大小，速度矢量的疏密參數(shù)可表示流場的性質(zhì)[7]。

試驗(yàn)采用的坐標(biāo)系原點(diǎn)取在測(cè)量斷面深槽底部中間位置，其中主槽的水流方向?yàn)閤軸正向，沿渠道方向的流速為u；y軸為垂直于主槽的方向，橫向流速為v；z軸正向垂直渠道底面向上，垂向流速為w。試驗(yàn)時(shí)利用刻度尺測(cè)量出試驗(yàn)區(qū)的水深并標(biāo)定。利用高速高清照相機(jī)拍照取樣，將水體在曝光時(shí)間間隔像分割成若干均勻單元體。在指定的測(cè)量區(qū)域里，將水體變形前的示蹤粒子位置圖像與水體變形后的粒子圖像進(jìn)行坐標(biāo)匹配和運(yùn)算，依據(jù)坐標(biāo)關(guān)系確定該示蹤粒子在流場中的速度矢量，同時(shí)可得到該示蹤粒子的坐標(biāo)位移，再依據(jù)比尺系數(shù)轉(zhuǎn)換得到物理位移。對(duì)水體變形前后所有單元體進(jìn)行類似運(yùn)算就可以得到整個(gè)位移場。

圖1 PIV信息采集原理示意

2 試驗(yàn)過程與分析

2.1 試驗(yàn)裝置及試樣

試驗(yàn)裝置由主槽循環(huán)水箱、水泵、變頻器、電磁流量計(jì)、推拉式水位控制尾門、消能裝置和模型冰蓋等組成，其中模型冰采用高密度聚氨酯泡沫代替。通過變頻器對(duì)水泵進(jìn)行精準(zhǔn)控制、電磁流量計(jì)進(jìn)行觀測(cè)，在閉合循環(huán)水系統(tǒng)中嚴(yán)格控制復(fù)式斷面水槽的流量，配合消能裝置達(dá)到近似均勻流。消能裝置用于消耗動(dòng)能確保水流均勻穩(wěn)定，水位可通過安裝在下游的尾門的開閉尺度進(jìn)行調(diào)節(jié)。主槽長20 m、寬1.2 m。試驗(yàn)采用有機(jī)玻璃搭建的模型渠道，在渠道底部每4 m設(shè)置一個(gè)測(cè)壓管出口。水箱采用水泥磚砌并做防水處理，在上游水箱內(nèi)設(shè)置花墻，渠道要搭建在入流水箱正中央以保證入流對(duì)稱。在入水口處設(shè)置穩(wěn)流板和消波網(wǎng)以減少進(jìn)水流態(tài)的波動(dòng)從而使出水更加穩(wěn)定。由于試驗(yàn)周期較長，為減少因管道銹蝕造成流量不穩(wěn)的情況，供水管道均為直徑300 mm的PVP管道。

圖2 循環(huán)水箱等試驗(yàn)裝置

PIV系統(tǒng)由體現(xiàn)流場動(dòng)態(tài)的示蹤粒子、對(duì)比成像系統(tǒng)和后期圖像處理運(yùn)算系統(tǒng)構(gòu)成，進(jìn)行流場測(cè)量時(shí)，將水體摻入適量空心玻璃珠，或其他比重與水體相當(dāng)?shù)氖聚櫫Ｗ樱@些粒子還應(yīng)當(dāng)具有高反光性的特點(diǎn)。當(dāng)被測(cè)斷面被高強(qiáng)度激光照射時(shí)，測(cè)量斷面會(huì)形成粒子光斑，通常使用超高速照相機(jī)采集示蹤粒子的位置變化圖像，通過識(shí)別匹配粒子對(duì)后，對(duì)示蹤粒子的前后位置坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算分析得到速度矢量分布圖[8]。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本次的試驗(yàn)中，使用的PIV系統(tǒng)是由美國TSI公司生產(chǎn)的，該系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)由進(jìn)行失蹤粒子圖像采集和分析的計(jì)算機(jī)以及脈沖激光器、旋轉(zhuǎn)激光探臂、超高速相機(jī)、變壓操控器、激光同步控制器組成，軟件系統(tǒng)包含INSIGHT 3G(集成調(diào)節(jié)、運(yùn)算、識(shí)別一體的軟件)、TECPLOT等后處理軟件。

PIV觀測(cè)系統(tǒng)主要由3個(gè)部分構(gòu)成。一是激光控制和影像采集系統(tǒng)。激光的強(qiáng)弱、頻率可通過激光控制器或計(jì)算機(jī)內(nèi)控制軟件進(jìn)行定量控制，相機(jī)的光圈可以調(diào)節(jié)圖片的亮度。二是由旋轉(zhuǎn)激光探臂、高強(qiáng)度脈沖激光器和超高速相機(jī)組成的圖像捕捉系統(tǒng)。相機(jī)的鏡頭平面的擺放位置必須與脈沖激光束所在的平面相互垂直，以保證所拍攝的圖像不會(huì)變形。相機(jī)曝光間隔和脈沖激光發(fā)射頻率隨試驗(yàn)中模型運(yùn)動(dòng)速度的不同而改變。三是圖像處理系統(tǒng)。圖像處理系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)內(nèi)置的程序軟件構(gòu)成。

2.3 試驗(yàn)過程

采用在上游設(shè)置穩(wěn)流板控制水流波動(dòng)，由于試驗(yàn)選用的水泵功率較高，所以在混凝土磚砌水箱中設(shè)置了一道花墻，用來穩(wěn)定水管的出流，防止入水口水流輸入不均勻、不對(duì)稱。開啟水泵后使水流循環(huán)5 min后，多次測(cè)量水位，當(dāng)水位不再發(fā)生肉眼可見變化時(shí)，流量調(diào)節(jié)完畢，整個(gè)過程需平緩，以免使管道進(jìn)流摻氣。激光器安置板放置完成后，依次安裝激光發(fā)生器、激光轉(zhuǎn)向鏡頭、照相機(jī)三腳架，隨后設(shè)置拍攝儀器，將上述儀器與電腦相連并檢查無誤后，開啟設(shè)備進(jìn)行測(cè)試工作。試驗(yàn)工況選擇了表1所示的3種進(jìn)流量。穩(wěn)定流量冰蓋下復(fù)式斷面水流的流態(tài)均為恒定流，經(jīng)前期試驗(yàn)，以現(xiàn)有條件的渠道，當(dāng)流量過大時(shí)，水面波動(dòng)異常劇烈且穩(wěn)流板和消波網(wǎng)壅水嚴(yán)重。所以本次試驗(yàn)最大進(jìn)流量為87.80 L/s。

表1 冰蓋下復(fù)式斷面流速分布測(cè)量工況

在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，光源的強(qiáng)度和成像設(shè)備的性能成為了獲取示蹤粒子高質(zhì)量圖像的關(guān)鍵因素，示蹤粒子的直徑通常幾十微米到幾百微米不等，對(duì)光的散射作用較差，因此在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，外界干擾光源越少越好，故將室內(nèi)的燈光關(guān)閉，形成暗室的效果。在試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)人員佩戴護(hù)目鏡進(jìn)行操作，在更換測(cè)量斷面時(shí)，需要將激光調(diào)節(jié)至最小，以防對(duì)試驗(yàn)人員的眼睛造成損傷。拍攝完一組圖片后應(yīng)將激光器關(guān)閉后，再進(jìn)行其他操作。PIV流場測(cè)試試驗(yàn)中，被脈沖激光照射的示蹤粒子反射光被超高速相機(jī)捕捉，兩次曝光中的反射光的位置為坐標(biāo)，通過這個(gè)位置坐標(biāo)的變化和經(jīng)歷的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)流速的測(cè)量。為防止其他色光對(duì)水中粒子反射激光造成干擾，將采集的圖像設(shè)定為灰度照片。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次研究使用聲學(xué)多普勒超聲測(cè)速儀(ADV)采集的復(fù)核數(shù)據(jù)，包括軟件控制部分和硬件分析器以及一個(gè)側(cè)向的爪式Vectrino+探頭。在進(jìn)行冰蓋下復(fù)式斷面流速測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí)，將多普勒超聲三維流速儀安置在滑道上的可調(diào)節(jié)高度的支架上，以減少手持儀器對(duì)測(cè)量造成的波動(dòng)影響，從而使獲得的數(shù)據(jù)更為可靠。支架上安裝有刻度尺，便于精確地移動(dòng)儀器。為使ADV達(dá)到更好的測(cè)量效果，在準(zhǔn)備測(cè)量的同時(shí)，在上游遠(yuǎn)離測(cè)點(diǎn)處的水中混入細(xì)砂，使超聲波在水中可以采集到更好的回聲。在測(cè)量過程中發(fā)現(xiàn)水泵會(huì)對(duì)多普勒超聲三位測(cè)速儀的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，這是因?yàn)樗迷谶\(yùn)行的時(shí)候，產(chǎn)生的超聲波會(huì)干擾到儀器的探頭所要采集的回聲，為此，須將測(cè)點(diǎn)安置在盡量遠(yuǎn)離水泵的位置。ADV所測(cè)得的同一斷面數(shù)據(jù)和PIV經(jīng)過計(jì)算濾定獲得的數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖3所示。由于冰蓋的存在和ADV爪式探頭的尺寸的影響，冰蓋下1 cm和邊壁以上1 cm為流速測(cè)量的盲區(qū)，故使用PIV對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。由圖3可以看出，在一定范圍內(nèi)，PIV所測(cè)得的數(shù)據(jù)和ADV所測(cè)得的數(shù)據(jù)吻合較好，此外其他斷面的數(shù)據(jù)也吻合良好，下面將進(jìn)一步確定PIV技術(shù)應(yīng)用于冰蓋下復(fù)式斷面流速分布測(cè)量的可行性。

圖3 PIV和ADV的流速數(shù)據(jù)對(duì)比

試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)冰蓋下測(cè)量斷面的流速的等時(shí)效性的瞬間采集，試驗(yàn)中，采用變頻器對(duì)水泵進(jìn)行操控，并對(duì)不同流量下的斷面流速分布進(jìn)行采集。使用分析軟件對(duì)冰蓋下復(fù)式斷面水流的流場進(jìn)行分析，對(duì)的水體中的示蹤粒子和其他顆粒位移進(jìn)行分析，結(jié)果見圖4。從圖4可以看出，存在局部的流場分布不均勻的現(xiàn)象。對(duì)圖4b中流場的不均勻片段出現(xiàn)的原因分析如下：①深槽區(qū)激光需要穿過更厚的水體，水流的輕微波動(dòng)都會(huì)引起一定的光的折射，對(duì)成像會(huì)造成不同程度的擾動(dòng)。②少量的示蹤粒子和黏粒附著在有機(jī)玻璃壁上，造成與其他運(yùn)動(dòng)中的示蹤粒子的圖像的重疊和干擾，從而影響程序的判別。③為考慮試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度，有機(jī)玻璃部件之間相接處會(huì)加固處理，且有機(jī)玻璃壁的材料特性易形成劃痕，這些瘢痕也會(huì)對(duì)示蹤粒子的圖像捕捉產(chǎn)生一定程度的影響。這些造成軟件無法識(shí)別粒子的問題有待于在以后試驗(yàn)中改進(jìn)。

圖4 斷面流速分布

3 結(jié) 論

本文中的試驗(yàn)運(yùn)用PIV技術(shù)測(cè)量了冰蓋下復(fù)式斷面水流中的示蹤粒子的位移場，進(jìn)而得到斷面流速分布，對(duì)比顯示，PIV所測(cè)數(shù)值與傳統(tǒng)方法測(cè)值吻合較好。PIV測(cè)量斷面流場分布圖能夠直觀地反映出水流受渠道邊壁及冰蓋的剪切應(yīng)力的作用而產(chǎn)生的能量損失。綜上所述，利用PIV技術(shù)對(duì)冰蓋下復(fù)式斷面的流速分布的測(cè)量可行，且相對(duì)于傳統(tǒng)方法更加準(zhǔn)確、便捷、全面，利用PIV(顆粒圖像測(cè)速技術(shù))進(jìn)行測(cè)量有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

(1)可以不接觸水體，減少測(cè)量探頭對(duì)水流流場的干擾造成的誤差。

(2)可以減少大量的測(cè)量盲區(qū)，使測(cè)量數(shù)據(jù)更加全面。比如在水面下1 cm范圍內(nèi)和水流邊壁處為ADV的探頭測(cè)量盲區(qū)。

(3)PIV可以獲得同一流場瞬時(shí)斷面的大量數(shù)據(jù)，在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)處理技術(shù)基礎(chǔ)之上，可以對(duì)流場以及流態(tài)進(jìn)行深入地剖析。

(4)可以大大減少測(cè)量時(shí)間，由此也可以降低水循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生微變對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差。

(5)獲得了冰蓋下復(fù)式斷面渠道的橫向流速分布圖，在本試驗(yàn)條件下，前者單位面積流量較后者增大了42%。

有必要指出的是，目前采用PIV測(cè)速獲得的該區(qū)域流速數(shù)據(jù)量特別大，因而對(duì)數(shù)據(jù)的濾定處理和去噪是該方法的處理難點(diǎn)。本文試驗(yàn)中采用的是二維測(cè)量成像系統(tǒng)，今后還可以繼續(xù)開發(fā)三維的測(cè)量系統(tǒng)，可以更全面直觀地獲得流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的相關(guān)信息。