PIV技術(shù)在孤立波流場測量教學(xué)實驗中的應(yīng)用

1、PIV技術(shù)在孤立波流場測量教學(xué)實驗中的應(yīng)用摘要：粒子圖像測速(particle image velocimetry, PIV)是一種先進(jìn)的流體力學(xué)實驗技術(shù),其在實驗流體力學(xué)、實際工程應(yīng) 用等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。孤立波是一種只出現(xiàn)在淺水水域且只有一個波峰或波谷的移動波，這種波動具有準(zhǔn)粒子 性，其理論用于研究波浪破碎水深，對近海結(jié)構(gòu)物的設(shè)計具有指導(dǎo)性作用。為了讓學(xué)生直觀地了解PIV技術(shù)同時認(rèn)識孤立 波的傳遞演化過程，提出了一種適用于孤立波精細(xì)流場的PIV測量平臺，測量了二維孤立波在傳遞、爬坡變形、破碎過程 的流場的速度矢量分布、速度標(biāo)量分布、渦量分布等精細(xì)流場信息。通過此次實驗使學(xué)生們對孤立波

2、的傳遞與變形這一流 體現(xiàn)象有更直觀的印象，并了解了 PIV技術(shù)原理及使用方法，加深學(xué)生對知識的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)動手能 力，提高創(chuàng)新能力，為未來科研探索奠定良好的基礎(chǔ)。關(guān) 鍵 詞：粒子圖像測速技術(shù)；孤立波；精細(xì)流場；教學(xué)實驗Application of PIV Technique in Teaching Experiment ofSolitary Wave Flow Field MeasurementAbstract: Particle Image Velocimetry (PIV), as an advanced experimental technique of fluid m

3、echanics, has been widely used in many fields such as experimental fluid mechanics and practical engineering applications. The solitary wave is a kind of advanced wave that has only one peak or trough and only appears in shallow water. This kind of wave is quasi-particle, and its theory is used to s

4、tudy the water depth of wave breaking, which has a guiding effect on the design of offshore structures. To let students understand PIV technology visually, and at the same time, learn the transmission and evolution process of solitary waves, this paper puts forward a PIV measurement platform for the

5、 fine flow field of solitary waves, which measures the velocity vector distribution, velocity scalar distribution and vorticity distribution of the flow field in the transmission, climbing deformation and crushing process of the twodimensional solitary wave. Through this experiment, students have a

6、more direct impression of the fluid phenomenon of transmission and deformation of solidarity waves and understand the principle and use of PIV technology. This experiment deepens students understanding of the knowledge, stimulates students interest in learning, cultivates their practical ability, im

7、proves their innovation ability, and lays a good foundation for future scientific research and exploration.Key words: PIV; solitary wave; fine flow field; teaching experiment實驗教學(xué)在大學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)上有 著舉足輕重的作用。教育部關(guān)于全面提高高等 教育質(zhì)量的若干意見指出，應(yīng)“創(chuàng)新教育教學(xué) 方法，倡導(dǎo)啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教 學(xué)” 1o新穎的實驗設(shè)備和實驗方法，更能激發(fā)學(xué) 生的實驗熱情，促進(jìn)實驗教學(xué)，實現(xiàn)創(chuàng)新

8、人才的 培養(yǎng)。孤立波是一種只存在于靜水中的特殊波形， 其水質(zhì)點僅在波浪方向運動，是移動波的一種， 其在傳輸過程中波形、波速不隨時間變化而變化。孤立波只存在于淺水條件下，其波動性是一 重力作為恢復(fù)力導(dǎo)致的水面波動，滿足KDV方 程，研究孤立波的重要性在于其動力學(xué)特性與波 浪在近岸淺水區(qū)破碎時的性質(zhì)接近，可廣泛用于 海洋工程中研究波浪破碎水深和海床設(shè)計等問題 的研究2o在實驗流體力學(xué)發(fā)展長河中，人們?yōu)榱双@得 水流的運動速度，研究者們相繼發(fā)明了多種流體 流速測量儀器，如畢托管、激光多普勒測速儀 等，這些儀器產(chǎn)生于不同年代，其原理也各不相 同，但都有一種或幾種共性的缺點：測量儀器本 身置于流場中，其對

9、流體起一定的阻礙作用，對 流場本身有一定的影響，且大多只能實現(xiàn)單點測 速，測速范圍較窄，難以對流場大范圍流體的 流速做到較準(zhǔn)確的測量。PIV技術(shù)作為一種先進(jìn) 的流體力學(xué)測量技術(shù)手段，從20世紀(jì)80年代提 出以來已經(jīng)逐漸成為世界范圍內(nèi)實驗流體力學(xué)領(lǐng) 域應(yīng)用最廣的流速測量技術(shù)3-10，它克服了傳統(tǒng)測 量技術(shù)的不足，做到了測量儀器和測量區(qū)域分 離，對待測流場沒有擾動，且能夠測量流場2D平 面或3D立體的瞬時運動信息。2004年，LIU L F等人通過DPTV研究了水波誘導(dǎo)邊界層在波紋 床上方的流動，對渦旋的產(chǎn)生以及拋射的過程進(jìn) 行了研究，同時估算了湍流邊界層湍流動能的產(chǎn) 生和耗散11。2010年，H

10、UANG Z C等人采用PIV 技術(shù)，對光滑平底波浪水槽中的波浪破碎區(qū)域進(jìn) 行了研究，并計算出了波浪底邊界層厚度，波浪 底部剪切應(yīng)力等12。2011年，GOVENDER K等 人采用PIV技術(shù)研究了在復(fù)合斜坡上的波浪破碎 情況，并計算了在波浪破碎時的流速、動量、湍 流動能等同。蔣昌波等人于2012年進(jìn)行了斜坡平 臺上波浪破碎變形PIV試驗研究14，驗證了波浪 在通過斜坡平臺時，波形不對稱性明顯，波能在 平臺上劇烈衰減，破碎導(dǎo)致渦結(jié)構(gòu)擴(kuò)散，其重點 放在波浪破碎之后的渦結(jié)構(gòu)測量。張金牛對孤立 波作用下海堤的越浪量和越浪流進(jìn)行了研究，給 出了越浪量的計算公式，并用PIV技術(shù)對其進(jìn)行 了驗證15。本文

11、介紹了一種利用PIV設(shè)備對測量孤立波 傳遞和破碎過程中誘發(fā)的精細(xì)流場信息的實驗， 得到測量平面內(nèi)的速度向量場、渦量場等流動特 性。通過此次實驗讓學(xué)生了解PIV技術(shù)的原理以 及使用方法，同時加深學(xué)生對流體流動現(xiàn)象的理 解，對流體力學(xué)現(xiàn)象和公式有更直觀的印象。1實驗教學(xué)設(shè)計本文以基于PIV技術(shù)的孤立波精細(xì)化流場結(jié) 構(gòu)實驗測量研究為例，簡要介紹使用PIV系統(tǒng)測量 孤立波傳遞誘發(fā)的流場和變形破碎演化的實驗過程。1.1 PIV系統(tǒng)設(shè)備介紹本次實驗的目標(biāo)是利用二維PIV測量孤立波 傳遞和破碎過程中誘發(fā)的精細(xì)流場，實驗裝置示 意圖如圖1所示，包括高速攝像機(jī)、連續(xù)激光 器、實驗水槽。實驗平臺如圖2所示。孤立波

12、產(chǎn) 生裝置如圖3所示，包括步進(jìn)電機(jī)、沖箱等部 件。連續(xù)激光器及其組成部件如圖4所示。部分 設(shè)備參數(shù)如表1所示。圖1 PIV試驗裝置示意圖圖2孤立波測量實驗平臺圖3孤立波產(chǎn)生裝置圖4激光器及控制器表1部分設(shè)備參數(shù)表設(shè)備名稱參數(shù)亞克力水槽尺寸：2 000 mmx 100 mmx400 mm型號：CW-10W532nm連續(xù)激光器最大功率：11 W高速攝像機(jī)光源形式：1 mm厚片光源 型號：FASTCAM Mini UX100 最大像素：1 280 pixelx960 pixel最大拍攝幀數(shù)：5 000幀內(nèi)存：4.3 GB沖箱造波機(jī)沖箱尺寸：97 mmx97 mmx500 mm步進(jìn)電機(jī)最大速度：218

13、.75 cm/s示蹤粒子50 pm聚酰胺示蹤粒子斜坡橫向長度80 cm,高度4 cm，坡度比1:201.2 PIV孤立波測量教學(xué)實驗方案本次實驗的目的是測量孤立波在靜水中傳遞 及遭遇水深變淺導(dǎo)致的變形、破碎過程中的速度 場、渦量場信息。實驗采用沖箱造波機(jī)模擬潰壩 造波方法產(chǎn)生孤立波，在保證水深及下落高度保 持不變的情況下通過控制沖箱下落速度改變孤立 波的特征，并使用高速攝像機(jī)捕捉孤立波的波形 特征，在得出沖箱下落速度與孤立波特征的映射 關(guān)系后，研究不同特征的孤立波傳遞、變形、破 碎過程中誘發(fā)的精細(xì)流場。為保證孤立波充分發(fā) 展，斜坡擺放位置應(yīng)距離造波機(jī)一米以上，實驗 水深5 cm、斜坡橫向長度8

14、0 cm、坡度比1:20, 在此條件下孤立波可實現(xiàn)破碎。孤立波精細(xì)流場測量步驟如下。1）PIV流場測量準(zhǔn)備工作：用鋁型材搭建水 槽支架，保證水槽與地面平行，且擦亮待測區(qū)域 的側(cè)面，避免拍攝區(qū)域中包含壁面雜質(zhì)；關(guān)閉實 驗室燈光，以及控制實驗室噪聲；將激光器片光 源平面平行于水槽長度方向，垂直于地面，調(diào)節(jié) 到適當(dāng)?shù)墓β剩ＷC待測區(qū)域內(nèi)的粒子被充分照 亮，且避免背景過亮對粒子散射效果以及計算產(chǎn) 生影響；將攝像機(jī)固定在水平實驗臺的適當(dāng)高 度，保證拍攝區(qū)域內(nèi)包含自由液面和水槽底部， 調(diào)節(jié)攝像機(jī)焦距，對焦到拍攝平面，使粒子拍攝 清晰；將斜坡固定在水槽底部，其位置取決于測 量工況，如表2所示。表2工況數(shù)據(jù)表

15、工 況水深/cm沖箱下落 速度/（ms-1）有無 斜坡水池 長度/mm水池 寬度/mm151.5無2 400100251.0無2 400100350.5無2 400100451.5有2 400100551.0有2 400100650.5有2 4001002）標(biāo)定測量平面尺寸，具體做法為將標(biāo)準(zhǔn)標(biāo) 定板放置在攝像機(jī)拍攝平面，標(biāo)定板平面與激光 平面平行，利用攝像機(jī)拍攝到清晰的標(biāo)定板圖 案；并布撒合適濃度的示蹤粒子，使粒子濃度充 分均勻，每個粒子的尺寸大約為3個像素，粒子 濃度為每個判別窗口中有10個左右粒子。3）調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)控制器，按照表2設(shè)置沖箱 下落速度，并將沖箱的起始位置設(shè)置在剛好接觸 水面位

16、置，打開攝像機(jī)，同時開始造波。利用攝 像機(jī)自帶的照片獲取軟件保存孤立波形演化過程 照片，每個工況重復(fù)3次或3次以上，以減小實 驗誤差。4）建立計算像素坐標(biāo)系及確定標(biāo)準(zhǔn)時刻，首 先規(guī)定橫坐標(biāo)軸上某一位置作為起始位置，再將 波面最高點橫坐標(biāo)作為當(dāng)前時刻孤立波的橫坐 標(biāo)，當(dāng)橫坐標(biāo)值達(dá)到規(guī)定起始位置時即認(rèn)為當(dāng)前 時刻為此組粒子圖片的標(biāo)準(zhǔn)時刻。以此方法確定 所有照片組的標(biāo)準(zhǔn)時刻。5）利用MATLAB軟件中的PIVLAB模塊進(jìn) 行圖像的預(yù)處理與互相關(guān)計算及數(shù)據(jù)后處理，具 體包括選擇處理照片、選擇圖像處理范圍、對非 液相區(qū)域進(jìn)行掩模、對圖像進(jìn)行背景剔除及圖像 降噪等預(yù)處理、設(shè)置計算方式為互相關(guān)運算、網(wǎng) 格重

17、疊率為百分50,開始計算。計算出的速度場 進(jìn)行去除錯誤矢量，平滑速度場，計算速度云 圖，計算渦量圖等。實驗流程圖如圖5所示。圖5 PIV精細(xì)流場測量流程圖速度值/(m-s-1圖5 PIV精細(xì)流場測量流程圖速度值/(m-s-1)00.10.20.30.40.50.60.7圖7孤立波破碎流場速度云圖圖8孤立波破碎流場渦量圖3）左側(cè)流體速度大于右側(cè)流體速度，隨著時 間的推移，左側(cè)流體逐漸越過波峰位置向右運動, 波峰處產(chǎn)生了流體的堆積，波高迅速增加，在波 峰位置逐漸形成強度很大的漩渦，如圖8所示。渦量/s-1-20 -10010203040506070802實驗結(jié)果分析本實驗利用二維粒子圖像測速技術(shù)（

18、2D-PIV） 測量了孤立波在靜水傳遞過程中誘發(fā)的流場，以 及孤立波在遭遇斜坡時發(fā)生了堆積變形翻卷破碎 過程的精細(xì)流場。孤立波的傳遞實際為能量的傳遞，使孤立波 波峰位置處的流體微團(tuán)水平朝著流速方向運動， 波峰前方的流體朝著波速斜上方流動，波峰后方 流體朝著波速斜下方流動，流線沿著波峰對稱呈 U字形，如圖6所示。流速大小以波峰位置為極 大值呈放射狀減少。孤立波在斜坡上發(fā)生了如下 4個變化。速度值/(m-s-1)00.050.100.150.200.250.300.35圖6孤立波傳遞速度云圖1）靠近斜坡區(qū)域速度較小，且隨著斜坡高度 升高，低速區(qū)域逐漸向上移動。2）波峰左右流體流速分布不對稱，右側(cè)平

19、均 速度慢，左側(cè)平均速度快，導(dǎo)致左側(cè)波浪逐漸向 波峰位置堆積而右側(cè)位置流體無法及時到達(dá)波浪 右側(cè)位置導(dǎo)致波浪形狀發(fā)生改變，如圖7所示。4）當(dāng)波峰位置流體堆積到一定程度之后，頂 部流體發(fā)生坍塌，波浪開始發(fā)生破碎，漩渦發(fā)生 擴(kuò)散，直至頂部流體下落至斜坡上，波浪徹底破 碎。破碎之后漩渦迅速擴(kuò)散，形成水汽混雜現(xiàn) 象，產(chǎn)生大量氣泡。3 PIV實驗帶來的改革和意義3.1實驗教學(xué)成效實驗教學(xué)中采用先進(jìn)PIV系統(tǒng)的教學(xué)成效主 要體現(xiàn)在以下3個方面。1）科研和實驗教學(xué)的關(guān)系進(jìn)一步明確，將專 業(yè)特色鮮明的科研成果融入實驗教學(xué)的理念得到 切實貫徹，實驗中心的教師和學(xué)生都能積極致力 于將科研成果應(yīng)用到實驗教學(xué)中去，完

20、善了實驗 教學(xué)體系。2）在科研成果研究基礎(chǔ)上，開發(fā)新穎的實驗 設(shè)備，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高實驗教 學(xué)水準(zhǔn)，是他們更加深入、更加直觀全面的掌握 理論知識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。3）增加了科研和教學(xué)之間的互動，讓同學(xué)們 了解最前沿的實驗手段，了解先進(jìn)流體力學(xué)實驗 技術(shù)，將科研成果轉(zhuǎn)化成教學(xué)，同時教學(xué)也增加 了教師的科研靈感。3.2實驗教學(xué)內(nèi)容的變革傳統(tǒng)的實驗教學(xué)內(nèi)容主要為驗證性實驗，包 括雷諾實驗、水靜力學(xué)實驗、文丘里實驗、畢托管實驗等，學(xué)生只能從宏觀的角度觀察實驗現(xiàn) 象，在教師給定的框架內(nèi)進(jìn)行實驗，極大地限制 了學(xué)生的創(chuàng)新能力，缺乏綜合能力訓(xùn)練，對一些 典型的流體力學(xué)現(xiàn)象只存在書本上或公式上的了 解，缺少對流動狀態(tài)最直觀的印象，學(xué)生很難對 其產(chǎn)生更深刻的理解。引入先進(jìn)的PIV測量技術(shù)后，可以直觀地了解 到孤立波在傳遞過程的速度分布、孤立波在遭遇 斜坡時變形過程的速度分布及渦量分布，使實驗不 僅僅是個精細(xì)流場現(xiàn)象的演示觀察實驗，更能在