表面流场的PyrLK“角点-质心”法在复杂流场中的应用

粒子匹配方法是准确获取表面流场的关键。本文详细阐述了新近提出的基于光流算法PyrLK"角点-质心"法的基本原理及具体实现过程,采用该方法对弯道水槽中较复杂的表面流场进行计算,并与目前较为先进的匹配几率法进行了对比。结果表明,对于本文所示的复杂流场,匹配几率法计算结果很大程度上依赖于对运动矢量允许偏差等参数的选取,且还会出现由于提取到非示踪粒子的质心并使其参与计算而产生的误匹配;而PyrLK"角点-质心"法只与运动图像特征信息相关,无示踪粒子特定匹配规则的假定,在复杂流场中能较好地实现粒子的跟踪与匹配。与匹配几率法相比,PyrLK"角点-质心"法对于复杂表面流场计算具有更好的适应性。     

基于回归分析的表面流场粒子匹配算法

针对表面流速图像测试中高浓度粒子条件下测量误差大的问题,改进了最邻近匹配算法,提出基于回归分析的表面流场粒子匹配算法,即多帧回归粒子匹配算法。该算法综合粒子距离、运动轨迹、运动趋势等因素,应用一元线性回归分析法拟合粒子中心坐标,通过相关系数完成粒子匹配,实现最佳同源粒子追踪。运用多帧回归粒子匹配算法开发了改进型大尺度模型表面流场图像测试系统(ILSPIV),并将ILSPIV应用到八卦洲河工模型,ILSPIV和旋桨流速仪测量的断面垂线平均流速分布形态及数值基本一致,表明多帧回归粒子匹配算法能提升高浓度粒子条件下流速测量精度,更好地满足工程实践研究需求。     

明渠均匀流简易粒子图像测速技术浅析

粒子图像测速系统PIV是一种近年兴起并发展迅速的非接触式流体测量方式,通过测量示踪粒子在很短时间间隔内的位移来间接地测量流场的速度分布,具有高精度、多点位和瞬时态等优点,但其需要高功率激光片光来定位速度剖面和照亮示踪粒子,高昂的价格和维修费用使得人们需要找到一种非激光照明式PIV作为替代。结合明渠均匀流的断面流速测量特点及工作原理,使用LED光照亮示踪粒子,并运用摄影原理窄束景深得到清晰的速度矢量场图形。经过分析发现,测量结果与理论公式所得值吻合良好,说明该技术在均匀流流态中具有较高精确性和实用性。     

一种改进的粒子图像测速混合算法研究

粒子图像测速技术作为一种新的流场测速方法能够在不干扰流场的情况下获得整个流场的速度信息。粒子图像测速技术最关键的步骤在于粒子匹配。针对粒子密度分布不均匀、流场不同等实际情况,提出了混合算法,即结合互相关和松弛算法能够更准确地搜索粒子,进而对粒子进行匹配。对3种匹配算法的匹配概率进行比较分析,发现混合算法能更准确地分析粒子的运动状态,减少错误矢量的产生;另外,对松弛算法进行改进,通过优化筛选加权因子发现改进的松弛算法在运行速度上相比原始算法有了较大提高,匹配率与原始算法基本一致。     

ZL30装载机功率匹配的优化

对ＺＬ３０装载机的功率匹配进行了分析，并对现有的兼顾匹配方案进行了优化，编制出了通用程序。利用该程序可以直接给出优化计算结果并绘出共同输入、共同输出特性曲线。     

基于改进PIV技术的库区滑坡涌浪试验研究

针对滑坡涌浪试验中内部运动场数据缺乏的问题,采用改进的粒子图像测速技术搭建滑坡涌浪试验平台,选取理想黏塑性材料卡波普作为滑坡材料,通过示踪粒子荧光染色技术对滑坡体和水体两相进行区分,实现了两相内部流态的同步观测,并解析出相应的速度场矢量图,进而基于速度场数据计算了入水滑坡体质量和平均速度的变化曲线,并分析了两相耦合过程中的动量变化过程线。研究结果表明滑坡和水体两相的动量变化趋势与滑坡体入水动量具有较高的相关性,可为两相耦合的动量转换机理理论研究提供更加复杂、多元的数据支撑。     

一种航空影像密集匹配点云的迭代中值滤波算法

为有效解决基于航空影像密集匹配生成的点云中含有大量的冗余点和噪声信息,影响表面模型(DSM)的质量和后续数字正射影像(DOM)生成效果的问题,提出了一种航空影像密集匹配点云的迭代中值滤波算法。通过引入邻域法向量求和的思想定义空间圆柱体,并以此作为点云剔除的约束准则,判断空间圆柱体内是否需要获取中值点,并结合距离统计分析的方法剔除少量离群点,迭代直至相邻两次输出点云数量差异少于设定阈值。采用具有重叠区域的两类点云数据进行对比实验,结果表明:提出的方法能够有效剔除摄影测量密集匹配点云的噪声,对于存在厚度的冗余点云进行光顺平滑,能够保留完整的边缘特征。     

曝气池中气液两相流粒子图像测速技术

在粒子图像测速原理的基础上研究了基于快速傅立叶变换的粒子图像测速算法,并编制算法程序进行验证。通过试验研究了气液两相流在曝气池试验装置中的流动情况,应用粒子图像测速技术对装置中3种状态下气液两相流的运动参量进行测量,获得了各种流体运动参数,并应用粒子图像测速程序进行计算分析。试验结果表明当气液两相流处于状态3时,气泡在装置中具有最长的停留时间和较大的速度紊动强度,氧转移速率和效率大大提高,这为曝气池选型提供了依据。     

层状土入渗试验中指流发育的分形特征及入渗规律

土质结构差异较大的层状土入渗过程中易出现指流.为了了解层状土下层介质对指流发生发育的影响,以三种不同粒径的石英砂为下层介质和以砂壤土为上层介质进行了室内积水入渗的染色示踪试验.结果表明,下层介质粒径越大越易出现指流,且指流行进速度越快.指流发生后,入渗过程趋向于稳定,且下层土壤粒径越大,稳定入渗率与累积入渗量越小.采用湿润面积和湿润比描述指流发育的宏观特性,发现湿润面积和平均湿润比都随时间而增大,表明湿润锋趋于均匀.为定量研究层状土入渗中指流发育的分形特征,采用像素点覆盖法编制了计算染色示踪试验中分形维数发育的Matlab程序,对程序进行了验证并计算了四组试验指流发育的计盒维数.结果表明指流分布具有明显的分形特征,下层介质粒径越大计盒维数越小,且计盒维数随时间而增大.     

PIV 适用于两相流稀相微粒速度场测量的算法探讨

用PIV(Particle Image Velocimetry)技术测量两相流中稀相微粒速度场时，稀相微粒起着示踪粒子的作用，其浓度低，粒子图像离散性强，需要发展跟踪单个粒子图像的算法才能确定粒子的速度矢量。本文介绍了基于BICC(Binary Image Cross-Correlation algorithm)算法的PIV粒子图像跟踪技术。用数值模拟的方法对几个典型的粒子图像场进行了粒子对的识别，并且对该算法模式中粒子对数、粒子半径等问题作了讨论。最后用所述方法对直管道中玻璃球-空气两相流50微米玻璃球粒子图像进行了实例分析，结果令人满意。     

AN IMPROVED PTV SYSTEM FOR LARGE-SCALE PHYSICAL RIVER MODEL

To measure the surface flow in a physical river model, an improved system of Large-Scale Particle Tracking Velocimetry （LSPTV） was proposed and the elements of the PTV system were described. Usually the tracer particles of a PTV system seeded on water surface tend to form conglomerates due to surface tension of water. In addition, they can not float on water surface when water flow is shallow. Ellipsoid particles were used to avoid the above problems. Another important issue is particle recognition. In order to eliminate the influence of noise, particles were recognized by the processing of multi-frame images. The kernel of the improved PTV system is the algorithm for particle tracking. A new 3-frame PTV algorithm was developed. The performance of this algorithm was compared with the conventional 4-frame PTV algorithm and 2-frame PTV algorithm by means of computer simulation using synthetically generated images. The results show that the new 3-frame PTV algorithm can recover more velocity vectors and have lower relative error. In addition, in order to attain the whole flow field from individual flow fields, the method of stitching individual flow fields by obvious marks was worked out. Then the improved PTV system was applied to the measurement of surface flow field in Model Yellow River and shows good performance.     

基于样区纯化的BP神经网络多光谱影像分类研究

提出了一种基于局部自动搜索和光谱匹配技术训练样本纯化的BP网络分类方法。利用影像的空间信息在图像局部范围内自动搜索和选择最佳样区位置,再用光谱匹配对寻找到的最佳样区在光谱空间上进一步纯化。从空间和光谱两个角度对样区进行了纯化,使得训练样本更适合遥感图像分类的要求,最后利用BP网络对遥感图像进行分类。实验结果证明,原始遥感图像经过样区纯化算法处理后,目视判读效果和数值分析都表明提高了分类精度。     

恒定流中泥沙运动速度实验

泥沙颗粒运动速度与水流运动速度是不一致的,进而会对水流输沙和河床演变产生影响。通过采用粒子追踪测速方法(Particle Tracking Velocimetry-PTV)和粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry-PIV)测量了水槽中2种粒径的泥沙颗粒运动速度及相应的水流运动速度。实验结果表明,泥沙颗粒运动速度沿垂线分布与水流速度不一致,在对数区,泥沙颗粒的运动速度略小于水流的速度,泥沙运动滞后于水流运动;在近壁区,泥沙颗粒的运动速度大于水流速度,且在本实验的粒径范围内,随着泥沙颗粒粒径增大,泥沙颗粒的运动速度也随之增大。     

三维粒子示踪测速技术的开发及初步应用

开发的单颗粒三维运动轨迹测量系统的硬件由四部摄像机、一台PC机和内置的图像卡组成。软件系统包括4路图像实时同步采集、图像二值化和聚合程序，坐标校正和转换，以及各统计参数的计算公式。系统标定的空间误差小于0.3mm，速度误差约为1.0mm/s。开发的颗粒三维运动测量系统在测量颗粒运动更长的轨迹、实现较高的采样频率和保证每个摄像机的高分辨率、只进行一次标定而进行各种水力坡度的试验及实现极大样本的采集等方面都取得了明显的进展，为研究颗粒运动的基本规律提供了新的方法。试验可以得出颗粒三维运动的瞬时速度，初步试验得出颗粒的纵向平均速度遵循对数分布，颗粒速度小于相应水流的运动速度。     

EXPERIMENT STUDY ON SEDIMENT INCIPIENCE IN BACKWARDFACING STEP FLOW

Flow over a backward-facing step was studied to investigate the effect of large-scale vortex structures on sediment incipience. The transient flow velocity field at the downstream of the backward-facing step was obtained using the technique of Particle Tracking Velocimetry (PTV). The optical amplification technique was employed to measure the instantaneous flow velocities near the bed and the instantaneous bed shear stress was given. The experimental observations revealed a new insight into the oscillation of the large-scale structure and the three-dimensional characteristics of the flow. In particular,very high turbulence intensity,instantaneous horizontal velocity near the bed and the bed shear stress near the reattachment point were observed. The sediment incipient probability obtained from the sequent images of sediment particles near the bed indicates that the critical instantaneous shear stress of the sediment incipience is independent of flow conditions.     

一种基于互相关的三维PIV图像处理方法

本文建立了一种基于互相关技术的三维PIV图像处理方法，在该方法中，建立了粒子图像坐标与空间坐标的关系式；利用互相关技术构成连续两时刻三维空间粒子的对应方法；通过图像粒子的标定，照相机系统的标定，粒子空间坐标的确定，连续两时刻空间粒子的对应，误对应速度向量的判断和消除步骤，形成了一个完整的三维PIV图像处理系统。将本方法运用于日本可视化协会（VSJ）提供的三维标准图像的处理，结果表明，无论是低粒子浓度图像还是高粒子浓度图都具有精度高，可靠性强的特点。     

复杂河网水系油粒子模型开发及溢油污染模拟

近年来,油粒子模型在海洋、海湾等水体的二、三维溢油数值模拟中获得广泛应用。然而,河网地区的水流模拟通常采用一维水动力模型,无法根据模型预测结果判断油粒子运动至河网节点后的流动方向,导致现有油粒子模型不能应用于河网水系溢油污染模拟。本研究针对水网地区溢油输移特征,通过定义河网节点出流河道流向因子,判断油粒子运动至河网节点后的流动去向,提出了一种基于油粒子模型的复杂河网水系突发溢油污染模拟方法。将改进的油粒子模型应用于太湖流域重要输水通道太浦河溢油污染模拟,结果表明,流向因子判断法能够正确模拟油粒子在复杂河网水系的迁移和分配过程,基于流向因子判断法开发的油粒子模型适用于水系结构复杂、水流条件多变的河网地区溢油模拟。成果对于提升复杂水网地区溢油风险预警和应急处置能力具有重要的理论价值和应用前景。