PIV技術(shù)在孤立波流場(chǎng)測(cè)量教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

1、PIV技術(shù)在孤立波流場(chǎng)測(cè)量教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用摘要：粒子圖像測(cè)速(particle image velocimetry, PIV)是一種先進(jìn)的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù),其在實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)、實(shí)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(gè)波峰或波谷的移動(dòng)波，這種波動(dòng)具有準(zhǔn)粒子 性，其理論用于研究波浪破碎水深，對(duì)近海結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)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(shí)認(rèn)識(shí)孤立 波的傳遞演化過(guò)程，提出了一種適用于孤立波精細(xì)流場(chǎng)的PIV測(cè)量平臺(tái)，測(cè)量了二維孤立波在傳遞、爬坡變形、破碎過(guò)程 的流場(chǎng)的速度矢量分布、速度標(biāo)量分布、渦量分布等精細(xì)流場(chǎng)信息。通過(guò)此次實(shí)驗(yàn)使學(xué)生們對(duì)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(duì)知識(shí)的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)動(dòng)手能 力，提高創(chuàng)新能力，為未來(lái)科研探索奠定良好的基礎(chǔ)。關(guān) 鍵 詞：粒子圖像測(cè)速技術(shù)；孤立波；精細(xì)流場(chǎng)；教學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)在大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)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(jiàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方法，更能激發(fā)學(xué) 生的實(shí)驗(yàn)熱情，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)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(diǎn)僅在波浪方向運(yùn)動(dòng)，是移動(dòng)波的一種， 其在傳輸過(guò)程中波形、波速不隨時(shí)間變化而變化。孤立波只存在于淺水條件下，其波動(dòng)性是一 重力作為恢復(fù)力導(dǎo)致的水面波動(dòng)，滿足KDV方 程，研究孤立波的重要性在于其動(dòng)力學(xué)特性與波 浪在近岸淺水區(qū)破碎時(shí)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(jì)等問(wèn)題 的研究2o在實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)發(fā)展長(zhǎng)河中，人們?yōu)榱双@得 水流的運(yùn)動(dòng)速度，研究者們相繼發(fā)明了多種流體 流速測(cè)量?jī)x器，如畢托管、激光多普勒測(cè)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(diǎn)：測(cè)量?jī)x器本 身置于流場(chǎng)中，其對(duì)

9、流體起一定的阻礙作用，對(duì) 流場(chǎng)本身有一定的影響，且大多只能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)測(cè) 速，測(cè)速范圍較窄，難以對(duì)流場(chǎng)大范圍流體的 流速做到較準(zhǔn)確的測(cè)量。PIV技術(shù)作為一種先進(jìn) 的流體力學(xué)測(cè)量技術(shù)手段，從20世紀(jì)80年代提 出以來(lái)已經(jīng)逐漸成為世界范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)領(lǐng) 域應(yīng)用最廣的流速測(cè)量技術(shù)3-10，它克服了傳統(tǒng)測(cè) 量技術(shù)的不足，做到了測(cè)量?jī)x器和測(cè)量區(qū)域分 離，對(duì)待測(cè)流場(chǎng)沒(méi)有擾動(dòng)，且能夠測(cè)量流場(chǎng)2D平 面或3D立體的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)信息。2004年，LIU L F等人通過(guò)DPTV研究了水波誘導(dǎo)邊界層在波紋 床上方的流動(dòng)，對(duì)渦旋的產(chǎn)生以及拋射的過(guò)程進(jìn) 行了研究，同時(shí)估算了湍流邊界層湍流動(dòng)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(duì)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(jì)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(jì)算了在波浪破碎時(shí)的流速、動(dòng)量、湍 流動(dòng)能等同。蔣昌波等人于2012年進(jìn)行了斜坡平 臺(tái)上波浪破碎變形PIV試驗(yàn)研究14，驗(yàn)證了波浪 在通過(guò)斜坡平臺(tái)時(shí)，波形不對(duì)稱(chēng)性明顯，波能在 平臺(tái)上劇烈衰減，破碎導(dǎo)致渦結(jié)構(gòu)擴(kuò)散，其重點(diǎn) 放在波浪破碎之后的渦結(jié)構(gòu)測(cè)量。張金牛對(duì)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(jì)算公式，并用PIV技術(shù)對(duì)其進(jìn)行 了驗(yàn)證15。本文

11、介紹了一種利用PIV設(shè)備對(duì)測(cè)量孤立波 傳遞和破碎過(guò)程中誘發(fā)的精細(xì)流場(chǎng)信息的實(shí)驗(yàn)， 得到測(cè)量平面內(nèi)的速度向量場(chǎng)、渦量場(chǎng)等流動(dòng)特 性。通過(guò)此次實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生了解PIV技術(shù)的原理以 及使用方法，同時(shí)加深學(xué)生對(duì)流體流動(dòng)現(xiàn)象的理 解，對(duì)流體力學(xué)現(xiàn)象和公式有更直觀的印象。1實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)本文以基于PIV技術(shù)的孤立波精細(xì)化流場(chǎng)結(jié) 構(gòu)實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究為例，簡(jiǎn)要介紹使用PIV系統(tǒng)測(cè)量 孤立波傳遞誘發(fā)的流場(chǎng)和變形破碎演化的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。1.1 PIV系統(tǒng)設(shè)備介紹本次實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是利用二維PIV測(cè)量孤立波 傳遞和破碎過(guò)程中誘發(fā)的精細(xì)流場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)水槽。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(yàn)裝置示意圖圖2孤立波測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(chēng)參數(shù)亞克力水槽尺寸：2 000 mmx 100 mmx400 mm型號(hào)：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(hào)：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(zhǎng)度80 cm,高度4 cm，坡度比1:201.2 PIV孤立波測(cè)量教學(xué)實(shí)驗(yàn)方案本次實(shí)驗(yàn)的目的是測(cè)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(guò)程中的速度 場(chǎng)、渦量場(chǎng)信息。實(shí)驗(yàn)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(guò)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(guò)程中誘發(fā)的精細(xì)流場(chǎng)。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(shí)驗(yàn) 水深5 cm、斜坡橫向長(zhǎng)度8

14、0 cm、坡度比1:20, 在此條件下孤立波可實(shí)現(xiàn)破碎。孤立波精細(xì)流場(chǎng)測(cè)量步驟如下。1）PIV流場(chǎng)測(cè)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(cè)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(shí) 驗(yàn)室燈光，以及控制實(shí)驗(yàn)室噪聲；將激光器片光 源平面平行于水槽長(zhǎng)度方向，垂直于地面，調(diào)節(jié) 到適當(dāng)?shù)墓β?，保證待測(cè)區(qū)域內(nèi)的粒子被充分照 亮，且避免背景過(guò)亮對(duì)粒子散射效果以及計(jì)算產(chǎn) 生影響；將攝像機(jī)固定在水平實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(duì)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(cè) 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(wú) 斜坡水池 長(zhǎng)度/mm水池 寬度/mm151.5無(wú)2 400100251.0無(wú)2 400100350.5無(wú)2 400100451.5有2 400100551.0有2 400100650.5有2 4001002）標(biāo)定測(cè)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(gè)粒子的尺寸大約為3個(gè)像素，粒子 濃度為每個(gè)判別窗口中有10個(gè)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(kāi)攝像機(jī)，同時(shí)開(kāi)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(guò)程 照片，每個(gè)工況重復(fù)3次或3次以上，以減小實(shí) 驗(yàn)誤差。4）建立計(jì)算像素坐標(biāo)系及確定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(diǎn)橫坐標(biāo)作為當(dāng)前時(shí)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(shí)即認(rèn)為當(dāng)前 時(shí)刻為此組粒子圖片的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻。以此方法確定 所有照片組的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(jì)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(duì)非 液相區(qū)域進(jìn)行掩模、對(duì)圖像進(jìn)行背景剔除及圖像 降噪等預(yù)處理、設(shè)置計(jì)算方式為互相關(guān)運(yùn)算、網(wǎng) 格重

17、疊率為百分50,開(kāi)始計(jì)算。計(jì)算出的速度場(chǎng) 進(jìn)行去除錯(cuò)誤矢量，平滑速度場(chǎng)，計(jì)算速度云 圖，計(jì)算渦量圖等。實(shí)驗(yàn)流程圖如圖5所示。圖5 PIV精細(xì)流場(chǎng)測(cè)量流程圖速度值/(m-s-1圖5 PIV精細(xì)流場(chǎng)測(cè)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(chǎng)速度云圖圖8孤立波破碎流場(chǎng)渦量圖3）左側(cè)流體速度大于右側(cè)流體速度，隨著時(shí) 間的推移，左側(cè)流體逐漸越過(guò)波峰位置向右運(yùn)動(dòng), 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(qiáng)度很大的漩渦，如圖8所示。渦量/s-1-20 -10010203040506070802實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析本實(shí)驗(yàn)利用二維粒子圖像測(cè)速技術(shù)（

18、2D-PIV） 測(cè)量了孤立波在靜水傳遞過(guò)程中誘發(fā)的流場(chǎng)，以 及孤立波在遭遇斜坡時(shí)發(fā)生了堆積變形翻卷破碎 過(guò)程的精細(xì)流場(chǎng)。孤立波的傳遞實(shí)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(yùn)動(dòng)， 波峰前方的流體朝著波速斜上方流動(dòng)，波峰后方 流體朝著波速斜下方流動(dòng)，流線沿著波峰對(duì)稱(chēng)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(gè)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(dòng)。2）波峰左右流體流速分布不對(duì)稱(chēng)，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(wú)法及時(shí)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(kāi)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(shí)驗(yàn)帶來(lái)的改革和意義3.1實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效實(shí)驗(yàn)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(gè)方面。1）科研和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)系進(jìn)一步明確，將專(zhuān) 業(yè)特色鮮明的科研成果融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理念得到 切實(shí)貫徹，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中去，完

20、善了實(shí)驗(yàn) 教學(xué)體系。2）在科研成果研究基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)新穎的實(shí)驗(yàn) 設(shè)備，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高實(shí)驗(yàn)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(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。3）增加了科研和教學(xué)之間的互動(dòng)，讓同學(xué)們 了解最前沿的實(shí)驗(yàn)手段，了解先進(jìn)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn) 技術(shù)，將科研成果轉(zhuǎn)化成教學(xué)，同時(shí)教學(xué)也增加 了教師的科研靈感。3.2實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的變革傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，包 括雷諾實(shí)驗(yàn)、水靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)、文丘里實(shí)驗(yàn)、畢托管實(shí)驗(yàn)等，學(xué)生只能從宏觀的角度觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn) 象，在教師給定的框架內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(duì)一些 典型的流體力學(xué)現(xiàn)象只存在書(shū)本上或公式上的了 解，缺少對(duì)流動(dòng)狀態(tài)最直觀的印象，學(xué)生很難對(duì) 其產(chǎn)生更深刻的理解。引入先進(jìn)的PIV測(cè)量技術(shù)后，可以直觀地了解 到孤立波在傳遞過(guò)程的速度分布、孤立波在遭遇 斜坡時(shí)變形過(guò)程的速度分布及渦量分布，使實(shí)驗(yàn)不 僅僅是個(gè)精細(xì)流場(chǎng)現(xiàn)象的演示觀察實(shí)驗(yàn)，更能在