PIV技术在冰盖下复式断面渠道流速测量中的运用

邹德昊，王 涛，路锦枝，戴长雷

(1.黑龙江大学水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验，北京 100038；3.黑龙江大学寒区地下水研究所，黑龙江 哈尔滨 150080)

随着测试技术的发展，一些先进的测试方法应运而生其中就包括粒子图像测速(particle image velocimetry，PIV)技术。PIV技术[1]是在动态图像捕捉技术和应用图像处理算法技术相结合的基础上发展起来的一种多维无干扰测试流场的方法，其优势在于与被测流体介质无接触的测量方式及能够得到测量区域内瞬时的流场分布。在PIV技术的研究历程中，有两点值得注意：一是如何获取高质量的图像，二是如何使匹配算法的精确性和准确度得到提高。PIV 技术的图像处理方法主要根据流场中示踪粒子的位置坐标决定的，依据示踪粒子的分布的稠密不同，可分为高低密度粒子两种分布相关法[2]。Adrian[3]首先提出了PIV方法，张玮等[4]通过试验验证了PIV技术对于研究复杂的流体运动结构的实用性。本文尝试将PIV技术引入到冰盖下的流场、流速的模型试验中。

1 PIV技术在水力学试验中的运用

PIV技术可应用在水力学模型试验的流速测量领域。水体在流动过程中裹挟着水中的示踪粒子，可以看作是一个协同流动的过程。李琳等[5]在试验中选用玻璃微珠作为示踪粒子，该粒子密度与水接近且容重小，可以在水体中保持悬浮状态或跟随水体运动变形发生位移，所以认为该示踪粒子能间接的体现水体的流动状态。陈凯霖等[6]将粒子图像测速技术应用于明渠流场试验的水流交汇区的相关研究中，用于测定掺混区水面比降随汇流比之间的关系。

1.1 引入PIV技术到冰盖下复式断面渠道模型试验

冰盖下复式断面渠道模型试验中需要对水流进行循环供应，应用传统的测量方式时，一些学者采用超长渠道进行设计，虽然可以得到较小的水面波动，但受到试验场地、仪器、设备尺寸、仪器摆放空间有限且操作困难的限制，因而测量结果具有一定的误差。一方面由于应用PIV技术的测量环境对光源具有相应的要求，故渠道不能设计得过长；另一方面采用PIV技术描绘出水体中的示踪粒子的位移场，有助于揭示冰盖下复式断面渠道复杂水流的结构。

1.2 PIV技术基本原理

假设高速照相机所拍摄第一张被激光照亮的粒子在坐标系中的二维坐标可以用f(a，b)表示，经过Δt时间后，高速照相机拍摄的第二张照片的粒子坐标可以用g(a，b)在同一坐标系下表示，两者相关性如下

(1)

式中，R(i，j)表示f(a，b)和g(a，b)之间的相关性。当R(i，j)的值取最大时，两个函数坐标f(a，b)和g(a，b)可以看作是相同的粒子的位置坐标；i和j为f和g的发生的相对位移，已设定的相机采样曝光时间间隔为Δt，借此可以计算出粒子的实际速度

(2)

式中，vx和vy为踪粒子沿x方向和y方向的平均速度。当Δt的值极小时，vx和vy就可以表示瞬时速度。粒子的位置坐标经处理可获得流场分布图，瞬时速度由示踪粒子的平均速度表示，其中，速度的快慢是矢量的模的大小，速度矢量的疏密参数可表示流场的性质[7]。

试验采用的坐标系原点取在测量断面深槽底部中间位置，其中主槽的水流方向为x轴正向，沿渠道方向的流速为u；y轴为垂直于主槽的方向，横向流速为v；z轴正向垂直渠道底面向上，垂向流速为w。试验时利用刻度尺测量出试验区的水深并标定。利用高速高清照相机拍照取样，将水体在曝光时间间隔像分割成若干均匀单元体。在指定的测量区域里，将水体变形前的示踪粒子位置图像与水体变形后的粒子图像进行坐标匹配和运算，依据坐标关系确定该示踪粒子在流场中的速度矢量，同时可得到该示踪粒子的坐标位移，再依据比尺系数转换得到物理位移。对水体变形前后所有单元体进行类似运算就可以得到整个位移场。

图1 PIV信息采集原理示意

2 试验过程与分析

2.1 试验装置及试样

试验装置由主槽循环水箱、水泵、变频器、电磁流量计、推拉式水位控制尾门、消能装置和模型冰盖等组成，其中模型冰采用高密度聚氨酯泡沫代替。通过变频器对水泵进行精准控制、电磁流量计进行观测，在闭合循环水系统中严格控制复式断面水槽的流量，配合消能装置达到近似均匀流。消能装置用于消耗动能确保水流均匀稳定，水位可通过安装在下游的尾门的开闭尺度进行调节。主槽长20 m、宽1.2 m。试验采用有机玻璃搭建的模型渠道，在渠道底部每4 m设置一个测压管出口。水箱采用水泥砖砌并做防水处理，在上游水箱内设置花墙，渠道要搭建在入流水箱正中央以保证入流对称。在入水口处设置稳流板和消波网以减少进水流态的波动从而使出水更加稳定。由于试验周期较长，为减少因管道锈蚀造成流量不稳的情况，供水管道均为直径300 mm的PVP管道。

图2 循环水箱等试验装置

PIV系统由体现流场动态的示踪粒子、对比成像系统和后期图像处理运算系统构成，进行流场测量时，将水体掺入适量空心玻璃珠，或其他比重与水体相当的示踪粒子，这些粒子还应当具有高反光性的特点。当被测断面被高强度激光照射时，测量断面会形成粒子光斑，通常使用超高速照相机采集示踪粒子的位置变化图像，通过识别匹配粒子对后，对示踪粒子的前后位置坐标进行计算分析得到速度矢量分布图[8]。

2.2 数据采集系统

本次的试验中，使用的PIV系统是由美国TSI公司生产的，该系统的硬件系统由进行失踪粒子图像采集和分析的计算机以及脉冲激光器、旋转激光探臂、超高速相机、变压操控器、激光同步控制器组成，软件系统包含INSIGHT 3G(集成调节、运算、识别一体的软件)、TECPLOT等后处理软件。

PIV观测系统主要由3个部分构成。一是激光控制和影像采集系统。激光的强弱、频率可通过激光控制器或计算机内控制软件进行定量控制，相机的光圈可以调节图片的亮度。二是由旋转激光探臂、高强度脉冲激光器和超高速相机组成的图像捕捉系统。相机的镜头平面的摆放位置必须与脉冲激光束所在的平面相互垂直，以保证所拍摄的图像不会变形。相机曝光间隔和脉冲激光发射频率随试验中模型运动速度的不同而改变。三是图像处理系统。图像处理系统主要由计算机内置的程序软件构成。

2.3 试验过程

采用在上游设置稳流板控制水流波动，由于试验选用的水泵功率较高，所以在混凝土砖砌水箱中设置了一道花墙，用来稳定水管的出流，防止入水口水流输入不均匀、不对称。开启水泵后使水流循环5 min后，多次测量水位，当水位不再发生肉眼可见变化时，流量调节完毕，整个过程需平缓，以免使管道进流掺气。激光器安置板放置完成后，依次安装激光发生器、激光转向镜头、照相机三脚架，随后设置拍摄仪器，将上述仪器与电脑相连并检查无误后，开启设备进行测试工作。试验工况选择了表1所示的3种进流量。稳定流量冰盖下复式断面水流的流态均为恒定流，经前期试验，以现有条件的渠道，当流量过大时，水面波动异常剧烈且稳流板和消波网壅水严重。所以本次试验最大进流量为87.80 L/s。

表1 冰盖下复式断面流速分布测量工况

在进行试验时，光源的强度和成像设备的性能成为了获取示踪粒子高质量图像的关键因素，示踪粒子的直径通常几十微米到几百微米不等，对光的散射作用较差，因此在进行测量时，外界干扰光源越少越好，故将室内的灯光关闭，形成暗室的效果。在试验过程中，试验人员佩戴护目镜进行操作，在更换测量断面时，需要将激光调节至最小，以防对试验人员的眼睛造成损伤。拍摄完一组图片后应将激光器关闭后，再进行其他操作。PIV流场测试试验中，被脉冲激光照射的示踪粒子反射光被超高速相机捕捉，两次曝光中的反射光的位置为坐标，通过这个位置坐标的变化和经历的时间来实现流速的测量。为防止其他色光对水中粒子反射激光造成干扰，将采集的图像设定为灰度照片。

2.4 试验结果分析

本次研究使用声学多普勒超声测速仪(ADV)采集的复核数据，包括软件控制部分和硬件分析器以及一个侧向的爪式Vectrino+探头。在进行冰盖下复式断面流速测量实验时，将多普勒超声三维流速仪安置在滑道上的可调节高度的支架上，以减少手持仪器对测量造成的波动影响，从而使获得的数据更为可靠。支架上安装有刻度尺，便于精确地移动仪器。为使ADV达到更好的测量效果，在准备测量的同时，在上游远离测点处的水中混入细砂，使超声波在水中可以采集到更好的回声。在测量过程中发现水泵会对多普勒超声三位测速仪的测量结果产生一定的影响，这是因为水泵在运行的时候，产生的超声波会干扰到仪器的探头所要采集的回声，为此，须将测点安置在尽量远离水泵的位置。ADV所测得的同一断面数据和PIV经过计算滤定获得的数据的对比如图3所示。由于冰盖的存在和ADV爪式探头的尺寸的影响，冰盖下1 cm和边壁以上1 cm为流速测量的盲区，故使用PIV对所测得的数据进行补充。由图3可以看出，在一定范围内，PIV所测得的数据和ADV所测得的数据吻合较好，此外其他断面的数据也吻合良好，下面将进一步确定PIV技术应用于冰盖下复式断面流速分布测量的可行性。

图3 PIV和ADV的流速数据对比

试验实现了对冰盖下测量断面的流速的等时效性的瞬间采集，试验中，采用变频器对水泵进行操控，并对不同流量下的断面流速分布进行采集。使用分析软件对冰盖下复式断面水流的流场进行分析，对的水体中的示踪粒子和其他颗粒位移进行分析，结果见图4。从图4可以看出，存在局部的流场分布不均匀的现象。对图4b中流场的不均匀片段出现的原因分析如下：①深槽区激光需要穿过更厚的水体，水流的轻微波动都会引起一定的光的折射，对成像会造成不同程度的扰动。②少量的示踪粒子和黏粒附着在有机玻璃壁上，造成与其他运动中的示踪粒子的图像的重叠和干扰，从而影响程序的判别。③为考虑试验模型结构强度，有机玻璃部件之间相接处会加固处理，且有机玻璃壁的材料特性易形成划痕，这些瘢痕也会对示踪粒子的图像捕捉产生一定程度的影响。这些造成软件无法识别粒子的问题有待于在以后试验中改进。

图4 断面流速分布

3 结 论

本文中的试验运用PIV技术测量了冰盖下复式断面水流中的示踪粒子的位移场，进而得到断面流速分布，对比显示，PIV所测数值与传统方法测值吻合较好。PIV测量断面流场分布图能够直观地反映出水流受渠道边壁及冰盖的剪切应力的作用而产生的能量损失。综上所述，利用PIV技术对冰盖下复式断面的流速分布的测量可行，且相对于传统方法更加准确、便捷、全面，利用PIV(颗粒图像测速技术)进行测量有以下几点优势：

(1)可以不接触水体，减少测量探头对水流流场的干扰造成的误差。

(2)可以减少大量的测量盲区，使测量数据更加全面。比如在水面下1 cm范围内和水流边壁处为ADV的探头测量盲区。

(3)PIV可以获得同一流场瞬时断面的大量数据，在现有的数据处理技术基础之上，可以对流场以及流态进行深入地剖析。

(4)可以大大减少测量时间，由此也可以降低水循环系统发生微变对系统产生的误差。

(5)获得了冰盖下复式断面渠道的横向流速分布图，在本试验条件下，前者单位面积流量较后者增大了42%。

有必要指出的是，目前采用PIV测速获得的该区域流速数据量特别大，因而对数据的滤定处理和去噪是该方法的处理难点。本文试验中采用的是二维测量成像系统，今后还可以继续开发三维的测量系统，可以更全面直观地获得流体运动状态的相关信息。