PIV技术在孤立波流场测量教学实验中的应用

1、PIV技术在孤立波流场测量教学实验中的应用摘要：粒子图像测速(particle image velocimetry, PIV)是一种先进的流体力学实验技术,其在实验流体力学、实际工程应 用等诸多领域具有广泛的应用。孤立波是一种只出现在浅水水域且只有一个波峰或波谷的移动波，这种波动具有准粒子 性，其理论用于研究波浪破碎水深，对近海结构物的设计具有指导性作用。为了让学生直观地了解PIV技术同时认识孤立 波的传递演化过程，提出了一种适用于孤立波精细流场的PIV测量平台，测量了二维孤立波在传递、爬坡变形、破碎过程 的流场的速度矢量分布、速度标量分布、涡量分布等精细流场信息。通过此次实验使学生们对孤立波

2、的传递与变形这一流 体现象有更直观的印象，并了解了 PIV技术原理及使用方法，加深学生对知识的理解，激发学生的学习兴趣，培养动手能 力，提高创新能力，为未来科研探索奠定良好的基础。关 键 词：粒子图像测速技术；孤立波；精细流场；教学实验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实验教学在大学生创新实践能力的培养上有 着举足轻重的作用。教育部关于全面提高高等 教育质量的若干意见指出，应“创新教育教学 方法，倡导启发式、探究式、讨论式、参与式教 学” 1o新颖的实验设备和实验方法，更能激发学 生的实验热情，促进实验教学，实现创新

8、人才的 培养。孤立波是一种只存在于静水中的特殊波形， 其水质点仅在波浪方向运动，是移动波的一种， 其在传输过程中波形、波速不随时间变化而变化。孤立波只存在于浅水条件下，其波动性是一 重力作为恢复力导致的水面波动，满足KDV方 程，研究孤立波的重要性在于其动力学特性与波 浪在近岸浅水区破碎时的性质接近，可广泛用于 海洋工程中研究波浪破碎水深和海床设计等问题 的研究2o在实验流体力学发展长河中，人们为了获得 水流的运动速度，研究者们相继发明了多种流体 流速测量仪器，如毕托管、激光多普勒测速仪 等，这些仪器产生于不同年代，其原理也各不相 同，但都有一种或几种共性的缺点：测量仪器本 身置于流场中，其对

9、流体起一定的阻碍作用，对 流场本身有一定的影响，且大多只能实现单点测 速，测速范围较窄，难以对流场大范围流体的 流速做到较准确的测量。PIV技术作为一种先进 的流体力学测量技术手段，从20世纪80年代提 出以来已经逐渐成为世界范围内实验流体力学领 域应用最广的流速测量技术3-10，它克服了传统测 量技术的不足，做到了测量仪器和测量区域分 离，对待测流场没有扰动，且能够测量流场2D平 面或3D立体的瞬时运动信息。2004年，LIU L F等人通过DPTV研究了水波诱导边界层在波纹 床上方的流动，对涡旋的产生以及抛射的过程进 行了研究，同时估算了湍流边界层湍流动能的产 生和耗散11。2010年，H

10、UANG Z C等人采用PIV 技术，对光滑平底波浪水槽中的波浪破碎区域进 行了研究，并计算出了波浪底边界层厚度，波浪 底部剪切应力等12。2011年，GOVENDER K等 人采用PIV技术研究了在复合斜坡上的波浪破碎 情况，并计算了在波浪破碎时的流速、动量、湍 流动能等同。蒋昌波等人于2012年进行了斜坡平 台上波浪破碎变形PIV试验研究14，验证了波浪 在通过斜坡平台时，波形不对称性明显，波能在 平台上剧烈衰减，破碎导致涡结构扩散，其重点 放在波浪破碎之后的涡结构测量。张金牛对孤立 波作用下海堤的越浪量和越浪流进行了研究，给 出了越浪量的计算公式，并用PIV技术对其进行 了验证15。本文

11、介绍了一种利用PIV设备对测量孤立波 传递和破碎过程中诱发的精细流场信息的实验， 得到测量平面内的速度向量场、涡量场等流动特 性。通过此次实验让学生了解PIV技术的原理以 及使用方法，同时加深学生对流体流动现象的理 解，对流体力学现象和公式有更直观的印象。1实验教学设计本文以基于PIV技术的孤立波精细化流场结 构实验测量研究为例，简要介绍使用PIV系统测量 孤立波传递诱发的流场和变形破碎演化的实验过程。1.1 PIV系统设备介绍本次实验的目标是利用二维PIV测量孤立波 传递和破碎过程中诱发的精细流场，实验装置示 意图如图1所示，包括高速摄像机、连续激光 器、实验水槽。实验平台如图2所示。孤立波

12、产 生装置如图3所示，包括步进电机、冲箱等部 件。连续激光器及其组成部件如图4所示。部分 设备参数如表1所示。图1 PIV试验装置示意图图2孤立波测量实验平台图3孤立波产生装置图4激光器及控制器表1部分设备参数表设备名称参数亚克力水槽尺寸：2 000 mmx 100 mmx400 mm型号：CW-10W532nm连续激光器最大功率：11 W高速摄像机光源形式：1 mm厚片光源 型号：FASTCAM Mini UX100 最大像素：1 280 pixelx960 pixel最大拍摄帧数：5 000帧内存：4.3 GB冲箱造波机冲箱尺寸：97 mmx97 mmx500 mm步进电机最大速度：218

13、.75 cm/s示踪粒子50 pm聚酰胺示踪粒子斜坡横向长度80 cm,高度4 cm，坡度比1:201.2 PIV孤立波测量教学实验方案本次实验的目的是测量孤立波在静水中传递 及遭遇水深变浅导致的变形、破碎过程中的速度 场、涡量场信息。实验采用冲箱造波机模拟溃坝 造波方法产生孤立波，在保证水深及下落高度保 持不变的情况下通过控制冲箱下落速度改变孤立 波的特征，并使用高速摄像机捕捉孤立波的波形 特征，在得出冲箱下落速度与孤立波特征的映射 关系后，研究不同特征的孤立波传递、变形、破 碎过程中诱发的精细流场。为保证孤立波充分发 展，斜坡摆放位置应距离造波机一米以上，实验 水深5 cm、斜坡横向长度8

14、0 cm、坡度比1:20, 在此条件下孤立波可实现破碎。孤立波精细流场测量步骤如下。1）PIV流场测量准备工作：用铝型材搭建水 槽支架，保证水槽与地面平行，且擦亮待测区域 的侧面，避免拍摄区域中包含壁面杂质；关闭实 验室灯光，以及控制实验室噪声；将激光器片光 源平面平行于水槽长度方向，垂直于地面，调节 到适当的功率，保证待测区域内的粒子被充分照 亮，且避免背景过亮对粒子散射效果以及计算产 生影响；将摄像机固定在水平实验台的适当高 度，保证拍摄区域内包含自由液面和水槽底部， 调节摄像机焦距，对焦到拍摄平面，使粒子拍摄 清晰；将斜坡固定在水槽底部，其位置取决于测 量工况，如表2所示。表2工况数据表

15、工 况水深/cm冲箱下落 速度/（ms-1）有无 斜坡水池 长度/mm水池 宽度/mm151.5无2 400100251.0无2 400100350.5无2 400100451.5有2 400100551.0有2 400100650.5有2 4001002）标定测量平面尺寸，具体做法为将标准标 定板放置在摄像机拍摄平面，标定板平面与激光 平面平行，利用摄像机拍摄到清晰的标定板图 案；并布撒合适浓度的示踪粒子，使粒子浓度充 分均匀，每个粒子的尺寸大约为3个像素，粒子 浓度为每个判别窗口中有10个左右粒子。3）调节步进电机控制器，按照表2设置冲箱 下落速度，并将冲箱的起始位置设置在刚好接触 水面位

16、置，打开摄像机，同时开始造波。利用摄 像机自带的照片获取软件保存孤立波形演化过程 照片，每个工况重复3次或3次以上，以减小实 验误差。4）建立计算像素坐标系及确定标准时刻，首 先规定横坐标轴上某一位置作为起始位置，再将 波面最高点横坐标作为当前时刻孤立波的横坐 标，当横坐标值达到规定起始位置时即认为当前 时刻为此组粒子图片的标准时刻。以此方法确定 所有照片组的标准时刻。5）利用MATLAB软件中的PIVLAB模块进 行图像的预处理与互相关计算及数据后处理，具 体包括选择处理照片、选择图像处理范围、对非 液相区域进行掩模、对图像进行背景剔除及图像 降噪等预处理、设置计算方式为互相关运算、网 格重

17、叠率为百分50,开始计算。计算出的速度场 进行去除错误矢量，平滑速度场，计算速度云 图，计算涡量图等。实验流程图如图5所示。图5 PIV精细流场测量流程图速度值/(m-s-1图5 PIV精细流场测量流程图速度值/(m-s-1)00.10.20.30.40.50.60.7图7孤立波破碎流场速度云图图8孤立波破碎流场涡量图3）左侧流体速度大于右侧流体速度，随着时 间的推移，左侧流体逐渐越过波峰位置向右运动, 波峰处产生了流体的堆积，波高迅速增加，在波 峰位置逐渐形成强度很大的漩涡，如图8所示。涡量/s-1-20 -10010203040506070802实验结果分析本实验利用二维粒子图像测速技术（

18、2D-PIV） 测量了孤立波在静水传递过程中诱发的流场，以 及孤立波在遭遇斜坡时发生了堆积变形翻卷破碎 过程的精细流场。孤立波的传递实际为能量的传递，使孤立波 波峰位置处的流体微团水平朝着流速方向运动， 波峰前方的流体朝着波速斜上方流动，波峰后方 流体朝着波速斜下方流动，流线沿着波峰对称呈 U字形，如图6所示。流速大小以波峰位置为极 大值呈放射状减少。孤立波在斜坡上发生了如下 4个变化。速度值/(m-s-1)00.050.100.150.200.250.300.35图6孤立波传递速度云图1）靠近斜坡区域速度较小，且随着斜坡高度 升高，低速区域逐渐向上移动。2）波峰左右流体流速分布不对称，右侧平

19、均 速度慢，左侧平均速度快，导致左侧波浪逐渐向 波峰位置堆积而右侧位置流体无法及时到达波浪 右侧位置导致波浪形状发生改变，如图7所示。4）当波峰位置流体堆积到一定程度之后，顶 部流体发生坍塌，波浪开始发生破碎，漩涡发生 扩散，直至顶部流体下落至斜坡上，波浪彻底破 碎。破碎之后漩涡迅速扩散，形成水汽混杂现 象，产生大量气泡。3 PIV实验带来的改革和意义3.1实验教学成效实验教学中采用先进PIV系统的教学成效主 要体现在以下3个方面。1）科研和实验教学的关系进一步明确，将专 业特色鲜明的科研成果融入实验教学的理念得到 切实贯彻，实验中心的教师和学生都能积极致力 于将科研成果应用到实验教学中去，完

20、善了实验 教学体系。2）在科研成果研究基础上，开发新颖的实验 设备，有利于激发学生的学习兴趣，提高实验教 学水准，是他们更加深入、更加直观全面的掌握 理论知识，培养学生的创新实践能力。3）增加了科研和教学之间的互动，让同学们 了解最前沿的实验手段，了解先进流体力学实验 技术，将科研成果转化成教学，同时教学也增加 了教师的科研灵感。3.2实验教学内容的变革传统的实验教学内容主要为验证性实验，包 括雷诺实验、水静力学实验、文丘里实验、毕托管实验等，学生只能从宏观的角度观察实验现 象，在教师给定的框架内进行实验，极大地限制 了学生的创新能力，缺乏综合能力训练，对一些 典型的流体力学现象只存在书本上或公式上的了 解，缺少对流动状态最直观的印象，学生很难对 其产生更深刻的理解。引入先进的PIV测量技术后，可以直观地了解 到孤立波在传递过程的速度分布、孤立波在遭遇 斜坡时变形过程的速度分布及涡量分布，使实验不 仅仅是个精细流场现象的演示观察实验，更能在