计算机远程I/O控制技术在大型水工模型试验中应用研究

分析了现行水工模型试验计算机测控系统的不足，介绍了计算机远程I／O控制的原理和技术特点，并提出了应用计算机远程I／O控制技术，将现行测控系统的模拟通信改为数字通信，构建基于RS-485工业控制网络的远程分布式大型水工模型试验测控系统。     

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。     

模型试验大范围流场实时测量系统研究与应用

研制开发应用于模型实验的大范围流场实时测量系统,采用多台工业级高清摄像机、磁盘阵列、光纤技术等,实现了覆盖范围不受限制的流场实时测量。在软件算法方面,支持PTV、PIV算法叠加计算,实现粒子高浓度的局部精细化流场和粒子低浓度的大范围流场的同步测量,增强了流场测量系统的适用性。在流场测速方面所取得的新进展,可为大范围流场实时测量提供新的依据和参考。长江航道规划设计研究院基地模型的流场测量试验表明,本系统具有较好的应用前景。     

河工模型试验计算机测控系统

水利河工模型试验中，水位、流量和流速测控的传统方法普遍存在测量与控制精度低、试验周期长的问题。针对此问题研制出水利河工模型试验计算机测控系统，并将其成功应用于国家“八五”重点科技攻关项目中的河工模型试验计算机测控系统中水位、流量自动控制和流速数据多点同步采集与处理系统，大大提高了模型试验的测量、控制精度和工作效率，缩短了模型试验周期。     

粒子图像测速发展综述

粒子图像测速(PIV)是一种基于流场图像互相关分析的非接触式瞬时全流场测量技术,它融合了计算机、光学及图像处理技术等交叉学科,在流体力学、空气动力学以及生命科学等领域有着广泛的应用。随着PIV技术的进步,其测量功能由早期的二维平面发展成三维空间,为瞬态流场的可视化提供了强有力的工具。从测试原理及系统组成的角度,重点介绍了立体PIV、全息PIV、层析PIV及微PIV等最新三维PIV技术,总结了PIV技术的发展和研究现状,最后探讨了PIV技术的未来发展趋势。     

升船机整体模型试验数据采集与分析系统

垂直升船机整体模型试验数据采集与处理系统可以采集并处理电气，液压，机械，结构及水动力学所需量测的各种数据，该系统在３８６ＤＸ／４０型微机及２８６工控机运行，可同时处理６４个测试信号，近４０种物理量，还能实现各物理量的标定，校正与检验，该系统采用全汉字屏幕，人机对话方式，且直观，可靠，准确度高。     

水工模型试验自动化测控系统

从硬件设备及控制原理、计算机软件、应用实例等几方面阐述了水工模型试验自动化测控系统的组成、软件功能及实际应用效果．本系统的研制成功，提高了水工模型试验的精度，加快了试验进度，增加了模型试验的高新技术含量，降低了试验人员的体力劳动强度．     

PIV技术在冰盖下复式断面渠道流速测量中的运用

在测定冰盖下复式断面流场、流速的模型试验中,水体中的运动粒子是重点研究对象。粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术已在水力学研究领域得到普遍应用,但该技术在冰盖下复式断面渠道模型试验的应用为国内首次。基于试验特点,设计砖砌混凝土的循环水箱,采用变频器配合水泵、流量计实现对流量的定量控制,对不同流量下不同断面的流场、流速进行测定,采用PIV技术对水体中运动的粒子的位移场进行具体分析。试验结果表明,PIV分析结果能够直观反映流场中的状态,且可以避免测量盲区,其所测的流速与多普勒超声测速仪测得值吻合较好,并给出了横向流速分布图,弥补了传统方法无法获得冰盖下的流场分布的难题。     

二滩水电站库区木材运动探讨

二滩水电站木材过坝技术是该工程的一个重大研究课题，分库区流态模型试验、木材过坝联合运输机系统模型试验和木材入河条件模型试验分别进行研究。本文以库区流态模型试验为依据，对库区木材的运动、导漂设施的可行性等进行探索。     

土工离心模型试验技术的一些进展

对近年来在土工离心模型试验技术方面取得的一些进展加以概括和总结,包括模型材料的选择，离心模型试验误差分析，数据采集系统的研制，动态模型技术，动力土工离心模型试验等方面，另外，还就其应用方面的一些进展作卫简单的评述。     

简易粒子图像测速(PIV)技术开发与优化技巧

粒子图像测速(PIV)技术是一种瞬态流动平面二维速度场测试技术,在细部流场实测领域得到重视,但是成熟的PIV产品价格高昂。鉴于此,介绍了一种简易的PIV装置,主要由高速摄像机、激光发射器、柱面透镜和示踪粒子构成,以较低成本即可基本实现商业用PIV产品的功能。为了验证简易PIV性能,设计了PIV简易装置,采用Fluent软件模拟,并结合PIV技术对比分析了简易PIV装置的优缺点,同时对影响结果的粒径大小和粒子跟随性进行了优化。结果表明,简易PIV装置适宜选用玉米粉作为示踪粒子,并需要根据示踪粒子跟随性所能达到的最大进口水流速度选择高速摄像机的帧率,最终能够较好地实现流场实测,进而达到对PIV技术进行开发和优化的目的,其分析结果将为后续研究者提供参考。     

稀疏气泡流动的粒子跟踪测速技术研究

采用动态阈值技术实现了对气泡图像的正确分割，利用灰度加权方法提高了气泡颗粒的定位精度。根据稀疏气泡流动图像的特点，提出了一种新的基于相关的粒子跟踪测速算法（2-HPTV）。通过进行两时刻中围绕待研究气泡所取的两个小的诊断窗口的相关运算，成功实现了气泡颗粒的轨迹追踪。实验表明本文算法较传统的PIV技术在测速精度上有很大程度的提高，与4帧粒子跟踪测速算法相比，降低了对摄像机帧频的要求，具有较强的实用性。     

河工模型试验中的DPIV技术及其应用

粒子图像测速是一种快速全流声测量方法。本文根据河工模型试验的特点建立了一套多ＣＣＤ的ＤＰＩＶ测量系统，在自然光照明的条件下对河工模型近千平方米区域内流体的表面流场进行了快速测量；根据河工模型中粒子分布的特点，对ＰＩＶ常用的速度撮算法（互相关和二次傅立叶变换）进行了改进，提高了速度提取的效率，在一定的分辨率前提下达到了对河工模型表面流场实时测量和记录的要求，测量误差较小。     

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。     

曝气池中气液两相流速度场分布的实验研究与数值模拟

气液两相流广泛存在于水利工程、废水处理等领域,其在气液装置中的流型流态及速度场分布可直接影响装置运行效能。本文采用实验研究与数值模拟相结合的方法,对圆柱形气液装置进行PIV实验,获得了准确的气液两相流气相速度场分布;在充分考虑湍流、曳力、升力、湍流分散力等作用下,采用欧拉-欧拉双流体模型和气泡群平衡模型对气液两相流流场进行了数值模拟,并将模拟结果与实验结果进行验证,所得结果误差控制在10%左右。结果表明,本文提出的模拟方法在气液两相流模拟中能够得到较准确的两相流动规律和速度场分布情况。     

采用乳化空气泡做示踪粒子的PIV测速技术

本文介绍一种适用于水洞力学实验的采用乳化空气泡作为示踪粒子的ＰＩＶ测速技术。选用乳化空气泡做ＰＩＶ测速示踪粒子，取代了通常采用的固体颗粒，由两台ＹＡＧ大功率脉冲式激光光源组合系统做为ＰＩＶ底片记录的双脉冲曝光光源。乳化空气泡的最大优点是对实验水洞或水槽无污染，且产生方便、经济，又可以形成高质量的杨氏条纹图像。这一技术能够使得ＰＩＶ测速技术在水洞力学应用测量中真正达到实用。     

The Toolbox for River Velocimetry using Images from Aircraft (TRiVIA)

Accurate knowledge of the speed at which water moves along a river is essential for understanding ecohydraulic processes and managing natural resources. Measuring flow velocity via remote sensing can be more efficient than conventional field methods, and powerful computational techniques for inferring velocity fields from videos or image time series have been developed. The development of dedicated software tools for particle image velocimetry (PIV) could facilitate greater use of these methods by the river community. This paper introduces a standalone app designed for this exact purpose: the Toolbox for River Velocimetry using Images from Aircraft, or TRiVIA. The program provides a complete workflow for producing spatially distributed velocity vectors from a video or sequence of images, all within an accessible graphical user interface. TRiVIA includes modules for extracting and resampling frames, stabilization and geo-referencing images, defining a region of interest, enhancing images, performing PIV with an efficient ensemble correlation algorithm, visualizing results, assessing accuracy assessment, and exporting PIV output. We illustrate the software's capabilities using an example data set from a large river in Alaska. The initial release of the toolbox is now freely available. Augmenting TRiVIA to incorporate bathymetric information could enable discharge calculation functionality.     

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。     

竖向进水管布置对ABR液相流态影响的PIV试验研究

在折流式厌氧反应器(Anaerobic Baffled Reactor,ABR)不同进水管悬空高度和不同进水流量组合的工况下,利用激光粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)对ABR的第一格室液相流态进行了研究,测得反应器内降流区和升流区关键截面的流场数据,获得了液相速度和涡量强度与悬空高度的关系曲线;同时研究了相关流场特征,包括流线图谱和涡量场。结果表明:对于ABR的第一格室,合理的进水管悬空高度可以保证良好的进水流态,促使ABR涡量面积分布均匀,有效防止局部沟流和液相死区,确保ABR高效稳定运行。根据试验分析结果,提出了设计时可供参考的进水管悬空高度的取值范围:流量在0.018～0.270 m³/h时,悬空高度的取值范围为230～530 mm;流量在0.558～0.846 m³/h时,悬空高度的取值为530 mm。     

应用PTV粒子追踪测速技术的鱼卵运动试验研究

鱼卵运动研究是了解自然河流中鱼卵漂流散布规律的力学基础,对鱼类早期资源估算、产卵场位置推算和鱼类栖息地修复等具有重要意义。本文应用PTV粒子追踪测速技术,通过20组不同水深、不同流速工况的水槽试验和200组鱼卵粒子群(直径为4 mm,比重为1.01)运动视频的图像处理,并结合理论推导解析鱼卵运动方程,系统分析了恒定均匀流条件下的鱼卵运动特性、主要影响因素及其作用机理。结果表明,鱼卵运动的主要影响因素为水流速度、鱼卵比重、鱼卵粒径和鱼卵初始速度。鱼卵纵向速度随水流纵向速度线性增大,其试验拟合结果为水流纵向速度的0.73倍;鱼卵垂向速度(沉速)主要受鱼卵比重和粒径的影响,与水流纵向速度无直接显著关系;鱼卵运动轨迹在小流速情况下近似线性下降,且轨迹斜率随流速增大而趋缓;当流速增大到0.93 m/s,鱼卵轨迹受水流紊动效应影响转变为伴随着个别鱼卵猝发跃移的波浪翻滚式下沉;水深对鱼卵运动速度和运动轨迹的影响相对微弱;鱼卵初始速度对其运动的影响仅在初始极为短暂的时间内。