基于场景视点建模的砂石运输量计量方法研究

通过分析现有的三维测量方法，并深入研究探讨应用双目视觉原理测量砂石体积的方法，设计一种基于图像三维建模的采砂计量方法，采砂车表面投射带有特殊信息的黑白网格，并在货车周围安装两台可以从不同方向拍摄车辆的摄像机，将摄像机采集的图像信息送入上位机，并依次进行图像的预处理、标定位置关系信息、提取并匹配特征点及数据的三维重建，便可计算系统采砂量体积信息。与传统的称重计量方法比较，误差不超过8%，是传统采砂计量方法的一种扩展。     

流场实时测量中示踪球性能的研究

在基于颗粒示踪和图像处理方法的流场实时测量中，示踪颗粒的性能对流速测量的精度影响很大。为此，设计了一种半球形带沿的颗粒，其淹没深度较小，可以适用于较浅的水流条件，并通过试验研究了其分散性和跟随性。从试验结果可以看出，这种颗粒在运动过程中基本不会聚积成团，其运动速度达到稳定的时间和水流流速大致成对数曲线关系。示踪球的稳定速度和碎纸屑基本一样，可以认为这种颗粒能代表当地水流的运动速度。     

图像处理技术及其在泥沙运动研究中的应用

总结了在悬移质泥沙运动特性试验研究中常用的量测手段，介绍了图像处理技术的基本原理和系统的组成，针对图像处理中的几个具体问题，特别是光片厚度和粒子浓度的选择，结合实践经验进行了讨论．利用开发的颗粒示踪与图像处理系统，对明槽悬移质颗粒的运动特性进行了量测．实践表明，图像处理技术为悬移质颗粒运动特性的研究提供了有力的手段．     

大颗粒在水力提升系统中运动特性的 数值模拟和试验研究

为掌握大颗粒在水力提升系统中的运动特性,进行了数值模拟和试验。详细分析了系统内部速度场、颗粒的颗粒轴向速度、径向速度等各种运动参数,对数值模拟结果和试验数据进行了对比分析。同时,对比研究了颗粒的沉降速度和浮游速度。结果表明：颗粒的轴向速度在沿管径的分布类似于抛物线分布;径向速度的绝对值都很小;颗粒的浮游速度小于其沉降速度。     

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。     

推移质颗粒平均运动特性的试验研究

采用三维粒子示踪测速技术，通过分别变化示踪粒子的粒径、比重以及水力比降等条件，观测了10种不同水沙条件下推移质颗粒的三维运动，对推移质颗粒的平均运动规律进行了统计分析。研究结果表明，推移质颗粒的纵向速度既不是Einstein假定的11.6u，也不是Bagnold假定的比清水流速小一个ω值。在分析坡降、粒径和比重对推移质平均纵向速度影响的基础上，根据Bagnold和Einstein两种表述方法以及实测资料分别得出推移质纵向平均速度的两个表达式。     

基于图像识别的无标尺水位测量技术研究

针对传统人工读取水位标尺效率低和现有基于水位标尺进行图像处理获取水位的环境适应性差、水位标尺量程短等问题，提出一种基于图像识别的无标尺水位测量技术。该技术无需借助水位标尺，仅需对水位进行标定；将采集到的水位图像输入U-net神经网络进行训练，得到水体区域和非水体区域的图像语义分割模型；借助图像识别获取水位线坐标；最后根据水位标定的数学模型，采用线性插值和坐标拟合的方法计算水位。试验结果表明，该技术环境适应性强，昼、夜间的水位测量误差均小于1 cm。采用该技术可以实现河道、水库等大量程的水位实时测量。     

水—沙两相流的激光多普勒分相测量和试验研究

探讨泥抄颗粒在水流中的悬浮运动机理和水、沙两相之间的相互作用，首先需要分别了解水流和泥沙颗粒的运动特性及相互关系。因此，怎样分相观测水流和泥抄颗粒的运动参数成为泥沙运动基本理论研兜的一十重要问题。本文集中介绍了利用激光多普勒技术分相测量水流和泥沙运动参数的基本原理和方法．以及利用常见的一维激光器(无声光频移)测量水流和颗粒垂向(垂直于水流运动方向)脉动速度的实验方法。使用该技术对水平方管内的水一沙两相流运动进行了试验观测，给出了两相速度、纵向及垂向湍流度，以及泥沙浓度的测量结果。     

大型河工模型分布式表面流场测量系统研制及应用

在河工模型试验中, 粒子图像表面流场测量方法得到了广泛应用。研制了一种新型分布式表面流场测量系统,该系统采用局域网组网与光纤传输相结合,通过POE千兆交换机与高清智能一体化工业摄像机相连,显著降低了布线复杂度,具有系统传输距离远、布设简单、集成度高、可扩展性强等优点。系统具备可视化全自动采集、可视化错误矢量剔除、导出多种数据格式,生成流场等值线图、流线等功能。在系统研制基础上,提出了一种对粒子图像表面流场测量系统进行精度检测的新方法,通过精确控制匀速旋转平台模拟水流运动,将表面流场测量系统实测数据与旋转平台上各点精确数据进行对比检测,检测结果表明,研制的表面流场测量系统测量误差小于5%,已在长江河口模型等多个大型河工模型中得到成功应用。     

三维地形自动测量分析系统的开发及应用

针对当前已有动床模型试验的地形自动测量模式,提出了基于超声测距技术的具有更高精确度、更高自动化程度以及采集效率的三维地形自动测量分析系统。系统采用以激光器为主的测距组件实现行走定位,提高了测车和测桥的定位精度。采用齿带传动结构代替钢索牵引方案实现测车横向行走,较大地提升了测车的定位能力;采用轴传动结构实现测桥自动纵向行走,提高测桥的定位能力。采用双探头采集模式,整体上大幅度提高了数据采集效率。系统提供了地形数据的自动测量功能,降低了人员劳动强度,提供了测车和测桥行走的控制功能,方便用户自定义操作;提供了测量断面的显示和对比,三维地形的显示、等高线的绘制、冲淤量的计算等地形数据分析处理功能。系统激光测距组件的测量范围为0.2～50 m,定位精度可达±3 mm;横向和纵向行走功能的速度范围在1～150 mm/s之间;超声测距组件的测量范围为0.05～1 m,在模型沙分别选取天然沙、塑料砂、木屑和煤粉的情况下,测量精度均可达±1 mm;横向测量点距最小可达10 mm。本系统已成功应用于中国石油集团工程技术研究院的海工结构物冲刷试验系统等物理模型试验的地形测量中,并取得了良好的效果。     

BIAS ERRORS INDUCED BY CONCENTRATION GRADIENT IN SEDI- MENT-LADEN FLOW MEASUREMENT WITH PTV

Sediment-laden flow measurement with Particle Tracking Velocimetry (PTV) introduces a series of finite-sized sampling bins along the vertical of the flow. Instantaneous velocities are collected at each bin and a significantly large sample is established to evaluate mean and root mean square (rms) velocities of the flow. Due to the presence of concentration gradient, the established sample for the solid phase involves more data from the lower part of the sampling bin than from the upper part. The concentration effect causes bias errors in the measured mean and rms velocities when velocity varies across the bin. These bias errors are analytically quantified in this study based on simplified linear velocity and concentration distributions. Typical bulk flow characteristics from sediment-laden flow measurements are used to demonstrate rough estimation of the error magnitude. Results indicate that the mean velocity is underestimated while the rms velocity is overestimated in the ensemble-averaged measurement. The extent of deviation is commensurate with the bin size and the rate of concentration gradient. Procedures are proposed to assist determining an appropriate sampling bin size in certain error limits.     

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.     

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。     

实时流场测量系统在河工模型试验中的应用

流场实时测量系统VDMS(以下简称VDMS),是运用数字摄像与粒子跟踪测速技术(PTV)研制开发的表面流场大范围同步测速与监控系统。该系统可快速方便地得到模型试验范围研究区域内的流场、断面流速分布及单个或多个测点的流速矢量变化过程,提高了试验的精度和效率。     

THE 3-D TURBULENT PTV BY USING TWO-MEDIA PHOTOGRAMMETRY

ＴＨＥ３－ＤＴＵＲＢＵＬＥＮＴＰＴＶＢＹＵＳＩＮＧＴＷＯ－ＭＥＤＩＡＰＨＯＴＯＧＲＡＭＭＥＴＲＹＳｕｏＪｉｎ；ＺｈａｎｇＨｏｎｇ－ｍｉｎ；ＷｕＷｅｎ－ｚｈｏｕ（ＴａｉｙｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ，Ｓｈａｎｘｉ，...     

粒子测速系统在潮汐河口河工模型试验中的应用

在潮汐河口河工模型试验中采用粒子测速(PIV／PTV)系统测量流场，具有快速、精度高的优点，开发的PIV／PTV系统数据处理分析软件，可实现模型试验中流场的可视化。     

泄洪雾化的粒子系统模拟及三维可视化

本文在泄洪雾化水流基本运动模式控制下，提出了基于粒子系统的泄流运动及雾化降雨的三维模拟与可视化方法，并且基于地理信息系统(GIS)技术建立了坝区地形及建筑物数字模型，实现了泄流水舌挑射运动、沿程掺气扩散、跌水碰溅以及雾化降雨场景的逼真模拟，为工程人员提供了一个可视化的设计与决策环境，并可为进一步研究“虚拟泄洪”提供理论基础。