李静[1]2003年在《氢气泡数字粒子图像测速技术》文中进行了进一步梳理数字粒子图像测速(Digital Particle Image Velocimetry)是正在发展中的全流场测试方法，本文主要研究这一方法中的核心技术——粒子图像的匹配算法。 DPIV技术计算公式是速度的原始定义：V=[S(t_2)-S(t_1)]／(t_2-t_1)。在相邻两帧图像上，找出相关度最大的两个小区域，用它们之间的距离除以两次拍摄之间的时间间隔，就是这个小区域在间隔时间内的平均速度。粒子图像的匹配算法的主要运算是将两连续的视频图像进行基于快速傅里叶变换的互相关运算，本文详细论述了相关算法的基本原理，它的产生和发展的各个阶段，各种算法的思路和优缺点，在此基础上确立了自己的算法并以C++编程实现。 本文叙述了国际上DPIV技术的发展过程和研究现状，对粒子的选取、片光源的运用作了专门的论述。鉴于DPIV技术硬件方面价格的昂贵，本研究开发了以氢气泡作为示踪粒子的图像测速技术。本文研究了氢气泡DPIV技术的全部过程和技术细节，如氢气泡产生的最佳条件、强光片光源的设计制作、图像采集的软件接口等，分析了DPIV技术的性能参数和重要实验参数的选取。 本文运用自己动手开发的以氢气泡作为示踪粒子的DPIV测试设备，对圆柱绕流这一典型的流动进行了测量，对测试的结果绘制成流场的曲线图，并给出了流体力学解释。与已发表的圆柱绕流流场图片和数值模拟相比较，证明了以氢气泡作为示踪粒子的图像测速技术的实用性、经济性和可行性，表明本研究开发的集图像采集、图像处理、图像匹配、测试结果流场图的绘制于一体的DPIV软件取得了满意的结果。这些对于DPIV技术在国内的推广运用具有积极的意义。 在实验研究中，作者独创性地在DPIV图像处理中使用运动坐标转换的方法，将原来显示不出来的涡在变换后的参考坐标系下清楚地显示出来，获得以往只能用相机运动的方式才能得到的卡门涡街图像。本文进一步采用计算机模拟，证实了这种方法的正确性，弄清楚了涡在有背景流动的情况下对粒子拍摄所产生影响的机理和原因，这对于今后这一类的研究具有参考价值。
李淳[2]2007年在《激光流场测量中DPIV系统图像分析与处理的研究》文中认为在激光流场测量中,数字粒子图像测速技术(简称DPIV)凭借其无扰、瞬态、全场速度测量等优点已经成为测量二维流场的最为成熟的方法。然而,目前国内外对DPIV的研究都没有解决高速复杂结构流场的全场测量问题。为此,本文针对传统的测量系统和测量方法中存在的关键技术问题展开了深入研究,并主要从软件方面对DPIV系统的图像分析与处理进行了设计和开发,通过处理拍摄的模拟流场实验中示踪粒子的位移图像初步验证了软件的实用性。同时,本论文还为DPIV系统中示踪粒子的选择提供了理论依据。本论文的工作内容和创新之处在于:(1)以米氏(Mie)光散射理论和流体力学理论为基础,系统研究了示踪粒子的光散射特性以及流体跟随性。针对湍流,本文通过采用频谱分析法得到了BBO方程分别适用于液体流场和气体流场的简便实用的近似解,从而为DPIV应用于复杂结构流场测量中示踪粒子的直径选择提供了理论依据。(2)在系统的硬件研究中,在光源部分使用叁种不同波长且时间上完全独立的脉冲激光器;在图像记录部分使用3个独立的CCD相机采集流场的二维数字灰度图像,从根本上解决了由跨帧技术造成的DPIV可测流速度极限问题。此外,在叁个激光脉冲的时序控制上,设置两个不同时间间隔⊿t1和⊿t2的方案,从而达到有效增大DPIV系统的动态测速范围和提高全场测量精度的目的。(3)在系统的软件(图象处理方法)开发上,对传统的互相关分析法进行了改进,即通过进一步缩小分析区域、缩短搜索路径以及在图像处理中引入高斯曲线拟合和矢量修正等算法来提高互相关分析的效率和精度。设计并编写了程序流程图,还利用计算机编程语言VC 6.0编写了适于DPIV图像处理的软件界面及相应的算法程序。(4)利用自行编写的图像处理软件对实际拍摄的模拟流场实验中示踪粒子的位移图像进行了处理,从而初步验证了软件的实用性。
孙文飞[3]2018年在《基于大功率LED多光谱成像的DPIV测速技术研究》文中认为数字粒子图像测速技术(Digital Particle Image Velocimetry,DPIV)是一种流场测量技术,可以提供空气或者水流场中上千个空间点在某一预设时刻的流速信息。因其具有非接触、不扰动流场、空间分辨率高、精度高、输出信息量大等优势而被广泛地应用于航空航天、空气动力学和水动力学中。对DPIV技术的研究对这些领域的发展有着极为重要的推动作用。在DPIV众多的研究方向中,本论文主要从优化测量系统,降低成本与优化PIV相关算法的角度展开研究,具体研究内容如下:(1)在优化测量系统降低成本方面,本项目组着眼于脉冲光源的改进。现今的DPIV系统通常采用固体激光器作为照明流场的光源。激光器具有稳定可靠、易控、光功率大等优点,但价格不菲。针对这一问题目前已有一些学者开始研究基于大功率LED的DPIV光源。本论文依据指导教师提出的基于多光谱成像的DPIV技术的需求,采用Luminus公司CBT-120系列的红绿蓝叁色LED作为光源,设计了相关的驱动电路与光学滤光合束系统,并利用ARM公司Cortex_M4内核的STM32F407芯片设计了同步控制器编写了相应的控制软件。经过实验测试,光脉冲的脉宽小于2微秒,脉冲间隔在1毫秒～50毫秒内任意设定,步长为1毫秒。延时精度与具体时间间隔无关,平均延时误差为-121us(红绿LED)、73us(红蓝LED)、-8us(蓝绿LED)。利用该光源结合JAI的3CCD彩色工业相机,实现了对二维流场速度分布的测量,得到了较好的测量结果。(2)在算法方面,本论文提出了一种新的错误矢量检测和修复算法:基于自适应性有限差分的错误矢量检测和修复算法。这种方法是在偏最小二乘法的基础上提出的,其创新之处在于它对平滑项的表达方式进行了改进,结合离散余弦转换和广义交叉验证,可以快速地对错误矢量分类、自行优化选择有限差分的阶数并修复错误矢量。本文通过人工添加错误矢量的方式,以四种不同的流场作为研究对象,对论文提出的算法的优缺点进行了研究讨论。实验数据显示,新算法与传统算法相比,修复的流场具有更高的结构相似性和更低的均方根误差,这表明新算法比传统错误矢量修复算法具有更强的修复能力。
周砚文[4]2008年在《基于DSP的流场速度检测系统设计》文中提出粒子图像测速(PIV,Particle Image Velocity)是自20世纪80年代发展起来的一种以图像处理为基础的流场测量技术,具有无干扰、瞬时、非接触和全流场进行速度测量的特点,对于研究复杂的流场测量有重要的意义。论文在对粒子图像测速技术有关算法研究的基础上,设计了一个基于DSP的流场速度检测系统。该系统由摄像机、TMS320DM642开发板和液晶显示器(LCD)组成,集图像采集、图像处理和图像显示等功能于一体,实现了流场速度的测量。论文主要介绍了粒子图像测速算法研究、系统硬件设计和系统软件的开发。在算法方面,论文对粒子图像测速技术进行了研究,分析了互相关算法当中诊断窗口尺寸对计算结果的影响,提出了一种基于互相关函数值自适应地确定合适诊断窗口尺寸的算法,从而保证了互相关计算中诊断窗口尺寸选择的合理性。在硬件方面,论文选择了TI公司的数字信号处理器TMS320DM642作为整个系统的硬件核心并分析了其视频处理模块的功能。在软件开发方面,论文对实时操作系统DSP/BIOS编程进行了研究,对于原有视频图像处理流程进行了分析并提出了改进,最后在开发环境Code Composer Studio下实现了基于TMS320DM642的图像采集算法、图像显示算法、粒子图像测速算法和光栅图形生成算法等有关算法。除此之外,论文对于在课题开发当中出现的难点和问题都作了具体的阐述。实验数据表明本文提出的自适应算法提高了测量精度,设计的系统实现了流场速度测量的各项功能,验证实验显示测量结果的正确性,所做工作为以后流场速度检测系统的仪器化打下了基础。
李志平[5]2007年在《激光粒子图像测量中示踪粒子特性及实验方法研究》文中提出激光粒子图像测量是航空航天等领域中研究空气动力学,燃烧学等问题的关键技术。由于流动现象的复杂性,很多问题都不可能单纯地依靠理论计算得到解决,而必须通过大量的实验获得必要的设计参数,并且同理论结合起来研究。这些研究成果的取得都离不开对复杂流动机理的理解和详细观测,依赖于改进了的设计研制和实验技术的发展。激光粒子图像测量技术是近十余年来才发展起来的流动测量技术,它是跨学科、多学科的研究结合点,充分体现了激光技术、图像处理技术、计算机技术和近代光学技术在其中的重要作用。研究这种技术成为人们在追求和实现理想的或近乎理想的测试方法和手段方面的一种努力途径。本文关注激光粒子图像测量技术中具有代表性的DPIV技术,并将焦点对准其在高速复杂结构流场中的测量问题。内容和创新点可以归纳如下:(1)研究流场中散射示踪粒子的散射特性及跟随性问题,为高速复杂流场的DPIV测量实验中示踪粒子的选择提供理论依据;(2)将量纲分析思想用于示踪粒子跟随性研究中,自主推导出跟随性函数无量纲化的数学表述,将影响粒子跟随性的多个因素根据量纲和谐原理组合成少数的无量纲导出量,使激光粒子图像测量中粒子跟随性的分析系统化、简单化;(3)数值模拟典型流场,特别是湍流中粒子的跟随性问题,提出了在激光粒子图像测量中如何选择粒子参数以提高测量精度的行之有效的方法;(4)研究一种基于多波长激光脉冲的新DPIV技术,搭建和安装调试实验的软硬件系统,这个新系统有望突破目前的可测流速极限,解决复杂结构流场测量中因流速梯度大而造成的测量精度下降或是测量无效等关键问题。
王小兵[6]2010年在《基于PIV的石油工程中螺旋流动研究》文中认为粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)是一种全新的无扰、瞬态、全场速度测量方法。它不仅能够显示流体流场、流动的物理形态,而且能够提供瞬时全场流动的定量信息。螺旋流是湍流中的一种特殊的、规则的涡旋运动,是在石油工程实际中广泛存在的一种流动现象,如地面驱动螺杆泵井筒流体流动、水力旋流器中流体流动等都是螺旋流动。随着石油工程新技术的发展和推广,螺旋流在石油工程中的应用范围将进一步扩大。在地面驱动螺杆泵采油系统中,采出液由旋转的抽油杆与油管间的环空流到地面,部分螺杆泵的压头要用于克服流体在环空中做螺旋流动的摩阻。由于聚合物溶液的黏弹性,聚驱井中含聚采出液在环空中的螺旋运动更为复杂。水力旋流器是一种应用非常广泛的非均相混合物分离设备,其在石油工程中常被用来进行油水分离等。水力旋流器内部存在复杂的内、外螺旋运动,内、外螺旋流场的分布影响其分离效率。国内外学者已经对水力旋流器的结构和分离效率进行了大量的研究,但未对其内部螺旋全流场进行研究。聚合物驱油可以提高采收率,对保持油田稳产可起到十分重要的作用。但同时由于聚合物溶液复杂的黏弹性,也给采油工艺带来了新的问题,如抽油杆偏磨等现象。国内外学者采用了抽油杆加装扶正器等方法来解决偏磨问题。但以上方法均不能减小由于聚合物的黏弹性导致抽油杆所受的法向应力差。本文利用粒子图像测速系统研究了垂直管中不同介质螺旋流的流动规律、聚驱井地面驱动螺杆泵井筒中螺旋流动规律、水力旋流器内部螺旋全流场特征和螺旋流抑制聚驱井杆管偏磨的机理。研究结果标明,垂直管中的螺旋流与典型的轴向流明显不同,螺旋流的轴向速度分布不是典型轴向流的凸抛物线形,且随着聚合物溶液浓度的增大,其轴向速度分布曲线由凹形抛物线逐渐变化到中间凹的双峰抛物线,具有螺旋流断面流速分布的特殊规律。聚驱井地面驱动螺杆泵井筒中流体的轴向速度呈M形分布,不是典型的凸抛物线形,轴向速度有小的波动,轴向速度的大小随着抽油杆转速的增大而增大。随着抽油杆转速的增大,井筒中聚合物溶液的压力梯度有拐点,存在最小值。此抽油杆转速条件下,井筒中压头损失最小。水力旋流器旋流腔中流体切向速度呈中心对称的凹形抛物线分布,旋转动量主要集中在管壁和气柱附近。径向速度近似呈双M形分布,且气柱附近的径向速度大于管壁处。上锥段中不同介质的零轴向速度轴包络面(LZVV)是向左侧倾斜的近似圆锥面。下锥段中零轴向速度包络面不是圆锥面,而是向左侧倾斜的不规则圆柱面,右侧中间段有不规则向内突起。两个切向入射管中流体的流量影响着零轴向速度包络面的形状和分布位置。抽油杆与油管偏心环空间螺旋流的轴向速度分布不是典型的左右对称的凸抛物线形,而是有明显凹陷且左右不对称的抛物线,其轴向速度最大值点右移,偏向油管内壁,导致轴向速度梯度减小,其中窄间隙更为明显,因而能减小由于聚合物溶液的黏弹性所引起的偏心抽油杆法向应力差。螺旋流能抑制由于含聚采出液黏弹性造成的杆管偏磨现象,为解决聚驱井杆管偏磨提供了新的理论依据。
钱明[7]2008年在《激光照射纳米流体形成散斑的特性及应用研究》文中认为纳米流体由于其优良的导热特性极有可能成为新一代传热工质,即使纳米流体中纳米粒子的体积百分比很小以至可以忽略不计,其导热系数也比基液提高很多。纳米粒子的运动是导致纳米流体导热系数显着提高的主要因素之一,但是目前尚无探测流体中动态纳米粒子的方法。本文从理论、数值模拟和实验叁个方面研究了激光照射纳米流体形成散斑的机理及散斑的特性,并提出利用激光散斑测速法(Laser SpeckleVelocimetry,简写为LSV)测量定向纳米流体中纳米粒子的运动,进而构建实验装置进行了测量。在分析纳米粒子光学特性的基础上,提出利用激光散斑测速法测量纳米流体中纳米粒子的运动。针对纳米粒子的光学特性,对传统的LSV系统进行了改进,即改用平行面光源照射流场、高速CCD正对入射光方向记录散斑图像的方式,使之具备了测试纳米流体中纳米粒子运动的特性。为对改进后的测试方法进行论证,从实验和数值模拟两个方面证实了激光照射纳米流体确能形成散斑。其中通过静态实验确定激光照射含有合适体积百分比纳米粒子的纳米流体可以形成清晰的散斑图;基于光的波粒二象性,分别根据光的波动性和粒子性建立了“经典散射模型”和“光子——粒子随机碰撞模型”,基于这两个模型分别对激光照射纳米流体形成散斑的过程进行了数值模拟,并对散斑的形成机理进行了解释。根据实验装置建立了层流物理模型,基于散斑的统计特性,通过数学推导得到了结论:在菲涅尔衍射区域,纳米粒子的运动速度等于接收屏上散斑的运动速度。进而构建了定向纳米流体实验装置,获得了时间间隔很短的序列散斑图。对相邻两幅散斑图进行图象处理和信息提取,得到了纳米粒子运动矢量图。首先对图象进行同态滤波和二值化等图像处理;然后结合全局搜索算法和各种块匹配算法对两幅散斑图进行图象相关处理,得到了运动矢量图;进而引入了亚像素算法,利用曲面插值拟合,使散斑位置精度达到0.1个像素,得到了散斑运动矢量。本文研究结果可为进一步研究激光散斑法测量纳米流体中纳米粒子的运动,以及开发新的动态纳米粒子光测方法提供理论和实验依据。
董静宇[8]2014年在《管道两种局部部件的PIV流场试验》文中进行了进一步梳理粒子图像测速技术PIV是一种成熟且较新的速度测量方法,具有无干扰记录全流场瞬间流态的特点。不仅可以提供全流场瞬间的流态信息,包括流体速度大小及方向；而且测量范围非常的广泛(本文用的TR-PIV系统的PIV模式适用于测量流速在2m/s以内的流场)。突扩回流在工程实践和理论研究中都有重要意义,是利用通道几何断面的突然扩张产生回流。突扩管道在能源、动力、化工,环保等部门有着广泛的应用,这样的流动可以发生在化学、制药学上和石油工业中的管流体系,还可以应用于空气流通管、突扩燃烧室和液体射流装置中,因此对突然扩张管道中流场测量也有很大的实用价值。闸阀是油田里比较常见的一种阀门,其两侧结构简单又几乎完全对称,易于安装,制造工艺性好,适用范围广。相比其他阀门而言其优势为当闸阀完全开启时不阻碍流体流动,流体流过闸阀时沿直线流动。当闸阀需要关闭时,虽然需旋转多次才能完全开启,但用时较长不易产生水击现象。当闸阀完全关闭后再次开启时,相比其他阀门而言要省力。但当阀门在关闭或者开启的过程中时,也就是部分开启时,闸板做径向运动而流体做轴向运动,此时就会在流体流经闸板的背面产生涡旋流动,引起闸板的侵蚀和震动,因此通过直观的图像把闸板背面产生涡流呈现出来,助于人们有更好的认识闸阀的作用。本文利用PIV研究了流体流经突扩管和闸阀后的流场,给出了被测流体流经突扩管和闸阀后的速度云图与流线图；利用Excel给出某一坐标位置的轴向速度和径向速度,并进行了相应的分析。同时,也给出了相应的涡量图,从涡量图中可以看出,在主流速度以及雷诺数很小的时候,涡流最先形成的位置；在主流速度以及雷诺数变大的时候,涡流随之变的强烈,也就是涡量值变大；在一定条件下超过某一雷诺数值后涡流扩散到整个管内,并不局限于主次流交接的某一面。
罗一兵[9]2010年在《基于DSP控制的水洞实验系统研制》文中研究表明针对低速实验流体力学与电磁流体流动控制实验的需要,本文采用基于DSP的控制平台研制了低湍流度水洞实验系统,该实验系统由水洞机械结构、电气设备和DSP控制系统组成。通过DSP平台系统的D／A通道输出连续可调的电压信号,控制叁相调频器的交流输出频率,达到驱动磁力泵调速电机控制水洞实验段流体流动流速的目的；通过DSP控制系统输出脉冲周期可实时调整的方波信号,控制固态开关驱动电压源的电压输出到氢气泡流场显示装置的铂丝上,从而达到了在水洞实验段中实现流体流动流场结构显示与实验参数同步调控的目的。通过对水洞实验系统的整体结构分析和相关电磁流体流动控制实验的要求,采用-竖式机械结构设置密闭内循环水洞系统,以获得水洞实验段的相对稳定实验来流。水洞机械结构由压力段(含压力分散结构)、收缩段(含蜂窝整流结构)、实验段、尾流发散段与回流水箱构成,由叁相可调速电机驱动密封性较好的磁力泵提供动力以驱动水流。水洞实验段的界面尺度为300mm×300mm,实验雷诺数可达到106数量级,湍流度可以控制在5%左右。采用TMS320F2812 (DSP芯片)来构建水洞实验与流场结构显示控制系统。编写上位机控制界面实现与下位机之间通讯,以便于灵活地改变实验参数,实现对水洞来流速度和氢气泡流场结构显示装置时间线频率的控制。通过DSP平台系统的D／A通道输出0～10v电压信号控制叁相调频器的频率,使其对应频率的调控范围为0-500Hz；通过通用I／O口输出1Hz～100Hz的方波信号,控制固态继电器使电压源提供相应频率的氢气泡显示系统时间线以显示流场结构。经过实际使用表明,研制的低湍流度水洞实验系统满足了相关的流体动力学实验的需要。为了配合有关科研课题的研究工作,到目前为止在该实验系统上完成了圆柱绕流流场结构及其电磁力控制、翼型绕流流场结构与电磁力控制,以及电磁力控制流体边界层减阻等实验研究任务,取得了较好的实验研究结果。
李达[10]2007年在《带导流筒搅拌槽的流场特性研究》文中研究说明搅拌装置是化学工业中最常见、最重要的单元操作之一。由于搅拌槽中流体混合机理的复杂性，一直缺乏可靠的放大设计方法，使得操作偏离优化设计，降低混合、传热和传质效率，因此对搅拌装置中流体混合的基础研究具有重要的理论意义和实用价值。在搅拌装置中添加导流筒可以引导流体流入和流出。它的作用在于提高混合效率。一方面，它提高了对筒内液体的搅拌程度，加强了叶轮对液体的直接机械剪切作用，同时又确立了充分的循环流型，使槽内所有物料均可通过导流筒内的强烈混合区，提高了混合效率。另外，由于限定了循环路径，减少了短路机会。尤其在高粘性流体以及固液悬浮体系的液面与槽底物料的混匀过程中，其特点尤为突出。本论文是借助Dantec Flowmap 1500 DPIV系统，对硫酸钾生产过程中的一个设备——带导流筒的搅拌槽内的流体流动的时均特性进行了研究。在研究过程中，通过多采样点平均的实验方法确定了最佳采样图片数，重点考察了搅拌桨转速、静液位高度和搅拌桨叶直径对搅拌槽时均流场的影响，并且从整体上对搅拌槽内的流场特性进行了分析。研究结果如下：(1)测量值随时间的随机脉动十分剧烈，要获得时均速度场，必须选择合适的采集图片的数量，实验发现当采集图片数量大于230张时，平均值波动迅速减小。继续增加采集图片数量虽能降低相对误差，但是降低幅度有限，而操作成本却大幅度升高，综合考虑取最佳的采集图片数量为300张。(2)测量结果表明，整个搅拌槽内部的流场是不对称的，这是由于系统本身就不是轴对称的。(3)搅拌桨叶转速大小对时均速度场的影响比较小，静液位高度和桨叶直径对时均速度场影响较大。(4)搅拌槽内的一部分流体在运动过程中，碰到导流简壁面后便形成一定的漩涡，这样便会导致流体的能量消耗，从而降低了混合的效率，而一部分流体在运动过程中能够从导流筒的开口处进入导流筒内部，这就要求在设计过程中在导流筒壁上多开几个孔，以促进物料的混合。(5)搅拌槽的导流筒开口附近，由于流体间的相互作用导致在该区域出现低速区，并且在搅拌槽的底部靠近槽壁处存在漩涡，导致流体混合出现死区，在设计过程中可以通过添加挡板来消除这些区域。本文的研究结果有助于加深对带导流筒的搅拌槽内流体流动的时空特性和混合机理的理解，为搅拌设备的放大设计提供依据。
参考文献：
[1]. 氢气泡数字粒子图像测速技术[D]. 李静. 武汉理工大学. 2003
[2]. 激光流场测量中DPIV系统图像分析与处理的研究[D]. 李淳. 天津大学. 2007
[3]. 基于大功率LED多光谱成像的DPIV测速技术研究[D]. 孙文飞. 天津工业大学. 2018
[4]. 基于DSP的流场速度检测系统设计[D]. 周砚文. 西安理工大学. 2008
[5]. 激光粒子图像测量中示踪粒子特性及实验方法研究[D]. 李志平. 天津大学. 2007
[6]. 基于PIV的石油工程中螺旋流动研究[D]. 王小兵. 东北石油大学. 2010
[7]. 激光照射纳米流体形成散斑的特性及应用研究[D]. 钱明. 南京理工大学. 2008
[8]. 管道两种局部部件的PIV流场试验[D]. 董静宇. 东北石油大学. 2014
[9]. 基于DSP控制的水洞实验系统研制[D]. 罗一兵. 南京理工大学. 2010
[10]. 带导流筒搅拌槽的流场特性研究[D]. 李达. 山西大学. 2007