流体可视化技术在沙棘柔性坝流场测量中的应用研究

论文摘要

流动显示和流速场的定量测量是大部分流体研究学者所要面临的主要课题之一,为了解决这一难题,各种流速测量技术应运而生。自上世纪初人们发明的热线热膜测速仪(Hot Wire Film Anemometer)开始,到结合计算机与光学技术形成的粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry)。历经七十多年的发展,流场测量逐渐克服了单点接触式测量的缺陷。但是,国内大多数学者主要研究粒子图像测速技术(PIV)在室内小型试验台的应用,而且其实验条件比较严格。为了能更好的利用并推广这一先进的流场测速技术,并探究其在室外大型试验场的效果,本研究在国家自然基金项目“黄河粗沙区沙棘柔性坝水保效应原型试验与数学模拟”的支持下,运用粒子图像测速技术(PIV)观测沙棘柔性坝的流场变化形态。其完成的主要工作有:(1)根据粒子图像测速技术的基本原理,设计一套适用于观测室外流场的图像采集的试验装置。(2)研究粒子图像测速技术。其中包括数字图像预处理、粒子图像测速算法和数据后处理。结合粒子图像测速技术,用计算机语言编写程序重构沙棘“柔性坝”的水流运动特征(包含沙棘“柔性坝”流场的计算)。(3)由实验结果分析研究沙棘柔性坝在拦沙固沙中的作用,从水流动力学角度为植物“柔性坝”拦沙固沙提供理论和技术支撑。同时探索粒子图像测速技术在测量室外大型水工模型或者天然水体的流场的可行性。本文获得的主要结论如下:(1)用PIV法测量了全床面瞬时流速后取各个监测段面的平均流速绘图发现,水流从进入床面到流出床面经历了先增后减又缓慢增加的一个过程,并由此可将实验床分为进口段、坝前雍水段和坝内段来进行研究。(2)在应用粒子图像技术研究室外大型水工模型的流场中,其实验装置以及实验设备的特性对试验结果影响较大,有时甚至能决定试验的成败与否。然而,根据对沙棘“柔性坝”内的流场的测量结果和四川大学,新疆农业大学的试验结果对比分析,本研究认为将粒子图像测速技术推广到室外流速场观测中具有较好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 粒子图像测速技术概述
• 1.2.1 PIV基本原理及其优点
• 1.2.2 PIV技术分类
• 1.3 国内外PIV技术研究现状
• 1.4 沙棘“柔性坝”的国内外研究概况
• 1.4.1 沙棘柔性坝的提出
• 1.4.2 国内研究进展
• 1.4.3 国外的研究进展
• 1.5 本文的主要研究内容
• 2 测速实验系统
• 2.1 实验背景
• 2.2 基于PIV的测速实验系统
• 2.2.1 PIV实验基本原理以及实验条件
• 2.2.2 试验步骤
• 2.3 实验研究
• 3 图像预处理
• 3.1 数字图像处理基础
• 3.2 图像拼接
• 3.2.1 遗传算法简介
• 3.2.2 算法描述
• 3.3 程序校验
• 4. 沙棘柔性坝流场测速算法及程序开发
• 4.1 沙棘柔性坝流场测速算法
• 4.1.1 基于快速傅立叶变换的PIV
• 4.1.2 流场数据后处理
• 4.2 计算程序的编制及校验
• 4.2.1 粒子图像测速程序编制
• 4.2.2 粒子图像测速程序校验
• 5 实验结果及分析
• #流场分析'>5.1 沙棘柔性坝2^#流场分析
• 5.1.1 流场计算
• 5.1.2 流场结果分析
• #流场分析计算'>5.2 沙棘柔性坝4^#流场分析计算
• 5.2.1 流场计算
• 5.2.2 典型流场分布及其成因分析
• 6 结论及建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录