基于图像法的Liutex积分定量流场测量方法与流程

基于图像法的liutex积分定量流场测量方法
技术领域
1.本发明涉及一种流场测量技术，特别涉及一种基于图像法的liutex积分定量流场测量方法。


背景技术：

2.流场测量技术在航空航天，船舶，发动机等领域都有着十分广泛的应用。具有代表性且应用广泛的流场测量技术主要有皮托管技术、热线风速、粒子轨迹测速、粒子图像测速和激光多普勒测速技术。其中，基于粒子轨迹测速技术的单帧长曝光图像法测量具有适用性广、测量准确、速度快、无接触等优点。然而，针对流场中的重要结构的信息捕捉和获取方法有很多，目前，使用较多的如流体运动粒子群轨迹、平均速度、瞬时速度场以及加速度、速度梯度张量、涡量场、基于速度梯度张量的不变量等。
3.尽管很多学者通过这些基于欧拉思想的标量、矢量以及张量场或者基于拉格朗日思想的轨迹、粒子群等来实现流场中重要结构的显示和捕捉，或者基于多种显示方法及组合形式研究流场时
‑
空发展过程，但大多基于定性或者统计研究。例如，从速度场可以通过速度剪切即上喷下扫估测涡所在位置；从压力场或密度场也能在一定程度上预测涡区域；绝大多数研究通过涡量场判断涡产生的区域和旋转强弱。然而，由于涡量无法对旋转量和非对称剪切量进行区分，导致某些情况下会对涡区域进行误判，且难以区分涡核边界。liutex方法由美国德克萨斯州大学阿灵顿分校刘超群课题组提出，可以准确地描述当地区域流体的刚性转动强度大小及旋转轴方向。liutex为矢量，由速度场计算所得，其方向定义为速度梯度张量的特征向量大小定义为(为涡量矢量，λ
ci
为速度梯度张量的共轭复特征值虚部)(liu c,gao y,tian s,&dong x.rortex a new vortex vector definition and vorticity tensor and vector decompositions.physics of fluids,2018,30(3):035103.)，(wang y,gao y,liu j&liu c.explicit formula for the liutex vector and physical meaning of vorticity based on the liutex
‑
shear decomposition.journal of hydrodynamics,2019,31(3):464
‑
474)。
4.liutex的提出基于高阶精度的湍流边界层数值模拟数据，且liutex的计算基于速度梯度场，若将liutex应用于流场测量实验，这对实验所测数据的精度要求极高，需寻求更加具有鲁棒性的liutex定量测量方法。


技术实现要素：

5.针对流场测量中对于涡的量化的表征普遍存在的问题，提出了一种基于图像法的liutex积分定量流场测量方法，通过对基于图像法测量所得的实验数据实现liutex积分计算，其积分绝对量和积分区域分别用以表征流场中涡结构的旋转强度和涡核尺寸大小。
6.本发明的技术方案为：一种基于图像法的liutex积分定量流场测量方法，具体包
括如下步骤：
7.1)通过实验采用测量系统获得流场影像信息，对流场影像信息进行非接触式图像法处理后获得速度场；
8.2)根据liutex矢量的数学定义，通过步骤1)获取的速度场计算的数学定义，通过步骤1)获取的速度场计算其中r为空间点当地刚性旋转强度大小，为当地刚性旋转轴方向；
9.3)提出体积liutex：r
int
，其定义如下：
10.对于三维实验数据：r
int
＝∫
δv
rdv，涡的旋转强度由涡核中各个空间点处r的积分值r
int
表示，而式中δv记为r>0的体积区域，表示涡边界所围成的涡核体积的大小；
11.对于二维实验数据：r
int
＝∫
δs
rds，涡的旋转强度由涡核中每一点处r的积分值r
int
表示，而式中δs记为r>0的面积区域，表示涡边界所围成的涡核面积的大小；
12.4)将r
int
、δv或δs开展定量统计，记录涡的旋转强度、涡核体积或面积大小随时间的变化，完成定量测量涡旋转强度以及涡核大小。
13.进一步，所述流场涵盖层流及湍流、内流及外流、低雷诺数与高雷诺数、亚音速与超音速、二维或三维范畴内的流场。
14.进一步，所述流场为不同尺度的流动随时间
‑
空间演变的结构，包括层流或湍流边界层、射流、台阶流动结构，管道流动、间隙流的内部流动或绕流流动过程中出现的拟序结构、条带结构。
15.进一步，所述步骤1)中非接触式图像法包括运动或非运动粒子图像测速图像法、运动或非运动粒子追踪测速图像法、以及运动或非运动单帧长曝光图像法、运动或非运动多帧多曝光图像法。
16.进一步，所述运动或非运动单帧长曝光法获得平均速度场具体方法：在流场中加入示踪粒子，采用连续激光、长曝光、运动或非运动拍摄所得粒子轨迹图像，并依据求得的粒子轨迹长度s以及已知的粒径d，曝光时间δt和放大倍率m，由公式计算获得粒子平均速度，由粒子速度分布插值到空间点，从而获得空间点平均速度场。
17.进一步，所述运动或非运动粒子图像测速法获得速度场具体方法：在流场中加入示踪粒子，使用运动或非运动拍摄获得示踪粒子瞬时信息，将连续的两帧示踪粒子图像输入pivview2cdemo软件进行图像处理，获得去除伪矢量的瞬时速度场时
‑
空间分布数据。
18.本发明的有益效果在于：本发明基于图像法的liutex积分定量流场测量方法，能够定量测量涡旋转强度以及涡核大小的方法，以更高效准确的手段研究流场中各涡结构的运动和演变过程。
附图说明
19.图1为本发明实施例的三维湍流边界层测量系统装置示意图；
20.图2为本发明实施例三维湍流边界层测量实验的涡产生和演化过程中r
int
和δs随时间的变化趋势图。
具体实施方式
21.本发明适用于二维或三维流场图像法测量实验中重要结构的定量测量，所述流场涵盖层流及湍流、内流及外流、低雷诺数与高雷诺数、亚音速与超音速、二维或三维范畴内的流场。流场重要包括常见的层流或湍流边界层、射流、台阶流动结构，管道流动、间隙流的内部流动或绕流流动过程中出现的拟序结构、条带结构，以及不同尺度的流动随时间
‑
空间演变的结构。
22.流场测量方法中的非接触式图像法包括粒子图像测速、粒子追踪测速、以及单帧长曝光、多帧多曝光图像法及其他非接触式图像法。
23.liutex的方向和大小r通过对图像法测量所得流场的后处理速度场及速度梯度场计算所得。若由图像所得为二维速度场信息，则在计算liutex时将第三方向上的值设置为定值，如记为1。liutex基于速度场计算速度梯度张量的特征值和特征向量所得，其计算精度本身非常依赖速度场，通常情况下，由实验所得速度场的数据精度难以满足liutex的计算精度要求。为liutex更有效的用于图像法流场测量实验，本发明提出体积liutex：r
int
，其定义如下：
24.对于三维实验数据：r
int
＝∫
δv
rdv
ꢀꢀ
(1)
25.其中：r为刚性旋转强度大小，r不等于0则为当地有涡存在；r＝0则表示无涡存在。因此在上述公式(1)中，涡的旋转强度由涡核中各个空间点处r的积分值r
int
表示，而式中δv记为r>0的体积区域，表示涡边界所围成的涡核体积的大小。
26.对于二维实验数据：r
int
＝∫
δs
rds
ꢀꢀ
(2)
27.同上，在上述公式(2)中，涡的旋转强度由涡核中每一点处r的积分值r
int
表示，而式中δs记为r>0的面积区域，表示涡边界所围成的涡核面积的大小。
28.本发明还涉及：将r
int
、δv(或δs)开展定量统计，记录涡的旋转强度和涡核体积(或面积)大小随时间的变化趋势，以进一步探索其演变机理、涡系相干机制、流动控制技术及其他涡的应用与研究中。
29.下列实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
30.下列实施例中所用的装置设备、材料、试剂、图像处理软件等，如无特殊说明，均可以从商业途径获得。
31.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
32.实施例1：
33.采用运动单帧长曝光图像测量方法获取平板湍流边界层中涡结构的运动信息，结合体积liutex，或称liutex积分法，实现湍流中涡结构的旋转强度和涡核大小的定量测量。
34.本实施例的三维湍流边界层测量系统装置示意图如图1所示，系统主要包括连接于恒位水箱6的平板流道1、在平板流道1内的示踪粒子2、向示踪粒子2照射的激光器3、对示踪粒子2进行捕捉的相机及镜头4、带动相机移动的步进电机导轨5、恒位水箱6、平板流道1前端的流量调节阀7、以及与相机连接的计算机8。
35.该测量方法的步骤为：
36.1、按图1在注满水的有机玻璃平板管段流道1内加入示踪粒子2(粒径1
‑
2μm)，示踪
粒子浓度较低。其中注水由恒位水箱6提供，且流速由流量调节阀7控制。图像测量系统由分辨率为相机及远心镜头4和连续半导体激光器3组成，图像测量系统安装在沿流向平行布置的步进电机导轨5上，步进电机控制导轨上的图像测量系统匀速运动以捕捉矩形管道底部流体边界层中与此运动速度相近的涡结构。
37.本实施例运动单帧长曝光图像测量方法中采用的相机曝光时间为100ms，帧率9.995fps，帧间间隔50μs，基本可以实现连续测量。通过相机及镜头4拍摄的示踪粒子2轨迹图像送入计算机8中进行分析。
38.2、对实验中所拍摄的图像进行处理获得平均速度场。
39.示踪粒子2的运动速度可以由式(3)得到：
[0040][0041]
式中：v代表示踪粒子的运动平均速度，s表示图像中示踪粒子运动轨迹长度，d表示粒子直径，m为相机镜头的放大倍率，δt是相机曝光时间。
[0042]
从采用运动单帧长曝光图像法测量的图像获取流场速度信息主要包括粒子轨迹识别和速度计算两部分。粒子轨迹识别图像处理主要由去噪锐化、自适应阈值分割、去除小颗粒和骨架提取四部分组成。在准确识别粒子轨迹的基础上进行轨迹长度计算会使得速度的计算更加准确，且对于弯曲轨迹也更能区分各像素点处速度方向的细微区别，同时能够保持图像的形态学特征。获得轨迹长度后，由公式(3)计算流场速度，速度方向由连续的两帧粒子图像分析得到。
[0043]
3、本实施例基于步骤2中所得速度场进行liutex积分计算。
[0044]
liutex与涡量相比，可以准确地描述当地区域流体的刚性转动强度大小及旋转轴方向。liutex由速度场计算所得，其矢量方向表示为速度梯度张量的特征向量大小为关于liutex矢量的计算不属于本发明的范围。
[0045]
本实施例由图像所得为二维速度场信息，则在计算liutex时将第三方向上的值设置为定值，如记为1。liutex基于速度场计算速度梯度张量的特征值和特征向量所得，其计算精度本身非常依赖速度场，通常情况下，由实验所得速度场的数据精度难以满足liutex的计算精度要求。因此，对liutex进行积分统计计算，即采用式(2)计算出体积liutex：r
int
，涡的旋转强度由涡核中每一点处r的积分值r
int
表示，而式中δs记为r>0的区域，表示涡边界所围成的涡核面积的大小。
[0046]
4、将r
int
和δs开展定量统计，及记录涡的旋转强度和涡核体积(或面积)大小随时间的变化趋势。
[0047]
实施例2：
[0048]
采用运动粒子图像测速法(m
‑
piv)获取平板湍流边界层中涡结构的瞬时欧拉场信息，结合liutex积分法，实现湍流中涡结构的旋转强度和涡核大小的定量测量。
[0049]
该测量方法的步骤为：
[0050]
1、本实施例测量系统装置与实施例1相同。按图1在注满水的有机玻璃平板管段流道1内加入示踪粒子2(粒径1
‑
2μm)，粒子浓度较高。其中注水由恒位水箱6提供，且流速由流量调节阀7控制。图像测量系统由分辨率为相机及远心镜头4和连续半导体激光器3组成，图
像测量系统安装在沿流向平行布置的步进电机导轨5上，步进电机控制导轨上的图像测量系统匀速运动以捕捉矩形管道底部流体边界层中与此运动速度相近的涡结构。在m
‑
piv测量实验中采用的相机曝光时间为5ms，帧率为172.1fps，帧间间隔为810μs，可以实现连续测量。
[0051]
2、将测量系统匀速运动拍摄的两帧连续的示踪粒子图像输入pivview2cdemo软件进行图像处理，获得去除伪矢量的瞬时速度场时
‑
空间分布数据。其中，处理窗口为32
×
32pixels(像素)，步长为16pixels。将速度场数据作为输入端引入liutex计算程序进行liutex矢量计算。
[0052]
3、本实施例基于步骤2中所得速度场进行liutex积分计算。具体操作步骤与实施例1的步骤3相同。
[0053]
4、将r
int
和δs开展定量统计，及记录涡的旋转强度和涡核体积(或面积)大小随时间的变化趋势，如图2所示，以进一步探索其演变机理、涡系相干机制、流动控制技术及其他涡的应用与研究中。具体操作步骤与实施例1的步骤4相同。
[0054]
实施例3：
[0055]
采用粒子图像测速法(piv)获取平板湍流边界层中涡结构的瞬时欧拉场信息，结合liutex积分法，实现湍流中涡结构的旋转强度和涡核大小的定量测量。
[0056]
该测量方法的步骤为：
[0057]
1、本实施例测量系统装置与实施例1，2相同。测量过程中将远心镜头4和连续半导体激光器3组成的图像测量系统安装在实验测量段，并且保持固定不动。其余设置与实施例2的步骤1相同。
[0058]
2、将测量系统固定不动拍摄的连续两帧示踪粒子图像输入pivview2cdemo软件进行图像处理，获得去除伪矢量的瞬时速度场时
‑
空间分布数据。具体操作步骤与实施例2的步骤2相同。
[0059]
3、本实施例基于步骤2中所得速度场进行liutex积分计算。具体操作步骤与实施例1，2的步骤3相同。
[0060]
4、将r
int
和δs开展定量统计。具体操作步骤与实施例1，2的步骤4相同。
[0061]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。