利用河工模型測(cè)量明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用河工模型測(cè)量明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，包括激光源，由激光發(fā)射器發(fā)出；所述激光發(fā)射器置于左河岸子模型或者右河岸子模型的外側(cè)，激光發(fā)射器用于將激光源水平射入河工模型的待測(cè)位置；反射鏡，貼于與激光源相對(duì)的一個(gè)河岸子模型的外壁；反射鏡用于使激光源的反射光平面與入射光平面重合；供回水裝置，位于河工模型的進(jìn)口端；示蹤粒子加入設(shè)備，位于河工模型的水源進(jìn)口端，它勻速地加入示蹤粒子到流動(dòng)的水體中；置于河床子模型下端的圖像采集裝置；以及計(jì)算處理裝置，其與所述圖像采集裝置連接，且用于對(duì)采集到的圖像進(jìn)行分析、處理得到明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算處理裝置。還公開一種利用河工模型測(cè)量明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的方法。
【專利說明】利用河工模型測(cè)量明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測(cè)量系統(tǒng)及方法，特別涉及一種利用河工模型測(cè)量明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)及方法。
[0002]

【背景技術(shù)】
[0003]河工模型試驗(yàn)是進(jìn)行河流研究的重要手段，它是以河流中有代表性的一段河道為原型，并按照一定的比例縮小制作成河道模型。不同特征的河道使用不同的河工模型，然后根據(jù)實(shí)際河流的水流和泥沙狀況，在河工模型上復(fù)演水流運(yùn)動(dòng)和泥沙運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際河流的模擬。與實(shí)際河道的組成結(jié)構(gòu)類似，河工模型的具體結(jié)構(gòu)可以包括河岸子模型和河床子模型；在實(shí)際應(yīng)用中，所述河岸子模型通常是兩道模型邊墻，所述的河床子模型定床部分通常是設(shè)于兩道模型邊墻之間。目前，人們對(duì)河流或者明渠中的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律、水流或者湍流長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)還沒有一個(gè)完全明確的清晰意識(shí)，因此在大量的水利工程中，有關(guān)明渠端長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的測(cè)量還需要通過河工模型試驗(yàn)來解決。以為以后的水利工程作好一個(gè)良好的鋪墊和準(zhǔn)備。
[0004]目前，也有一些研發(fā)單位對(duì)明渠的湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量，他們采取的方法大致如下:增加示蹤粒子，他們?cè)黾拥姆椒ㄊ且淮涡灾腥胼^多的示蹤粒子，多次且不連續(xù)的增加，這樣存在的缺陷是:由于示蹤粒子的密度比水大，當(dāng)水的流動(dòng)速度較小時(shí)，示蹤粒子就會(huì)逐漸下沉，示蹤粒子下沉下河床子底部，如此，不利于測(cè)量湍流的測(cè)量；當(dāng)激光對(duì)示蹤粒子打光時(shí)，當(dāng)工模型較大，測(cè)量的范圍較大時(shí)，激光的強(qiáng)度不夠，使拍攝出來的同一圖片，它的近激光位置的示蹤粒子的亮度大于遠(yuǎn)激光位置的示蹤粒子的亮度，使遠(yuǎn)激光位置的粒子激光強(qiáng)度嚴(yán)重不足，在后續(xù)的對(duì)湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，造成計(jì)算數(shù)據(jù)不準(zhǔn)。
[0005]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供了利用河工模型測(cè)量明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)及方法，能夠解決激光強(qiáng)度不足、示蹤粒子下沉不利于對(duì)水體進(jìn)行示蹤的問題。
[0007]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是:提供一種利用河工模型測(cè)量明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，所述河工模型包括河床子模型以及位于河床子模型兩側(cè)的左河岸子模型和右河岸子模型，所述河工模型包括水源進(jìn)口端和水源出口端，所述測(cè)量的系統(tǒng)包括:激光源，由一激光發(fā)射器發(fā)出；所述激光發(fā)射器置于左河岸子模型或者右河岸子模型的外側(cè)，所述激光發(fā)射器用于將激光源水平射入河工模型的待測(cè)位置；反射鏡，貼于與激光源相對(duì)的一個(gè)河岸子模型的外壁；反射鏡用于使激光源的反射光平面與入射光平面重合；供回水裝置，位于河工模型的進(jìn)口端；示蹤粒子加入設(shè)備，位于河工模型的水源進(jìn)口端，它勻速地加入示蹤粒子到流動(dòng)的水體中；置于河床子模型下端的圖像采集裝置；以及計(jì)算處理裝置，其與所述圖像采集裝置連接，且用于對(duì)采集到的圖像進(jìn)行分析、處理以得到明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算處理裝置；所述供回水裝置放水后，示蹤粒子加入設(shè)備將示蹤粒子加入至流動(dòng)的水體中，所述激光源從其中一個(gè)河岸子模型水平穿入，它穿過待測(cè)位置的流動(dòng)的水體，將激光打入到反射鏡中，所述反射鏡將激光再次反射到待測(cè)位置以增加待測(cè)位置處的激光強(qiáng)度，所述圖像采集裝置對(duì)待測(cè)位置的湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算處理裝置，所述計(jì)算機(jī)處理裝置對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理以得到待測(cè)位置的明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，其中，所述采集數(shù)據(jù)為圖片。
[0008]進(jìn)一步的，所述示蹤粒子加入設(shè)備包括兩根擱置桿以及位于兩根擱置桿中間且上端開口的箱體，所述箱體的箱底設(shè)有由電機(jī)帶動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌裝置，在箱底的底部還與一輸出管道的接入端相接通，所述輸出管道的輸出口埋于流動(dòng)的水體中，在所述輸出管道上還增設(shè)有控制示蹤粒子的流量大小的閘閥；所述示蹤粒子加入設(shè)備通過兩根擱置桿放置于左河岸子模型和右河岸子模型上。
[0009]進(jìn)一步的，所述輸出管道的輸出口為直徑Imm的細(xì)鋼針，它埋于水體中。
[0010]進(jìn)一步的，所述激光發(fā)射器具有一個(gè)可自由調(diào)整高度的底座。
[0011]進(jìn)一步的，所述計(jì)算處理裝置還用于將接收到的多張采集圖片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)每相鄰的兩張圖片進(jìn)行流場(chǎng)矢量計(jì)算，將計(jì)算得到的每一個(gè)流場(chǎng)矢量制成一張流場(chǎng)瞬時(shí)圖；還用于將流場(chǎng)瞬時(shí)圖去重后，按照先后順序、從右至左依次進(jìn)行排列，以得到明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的矢量流場(chǎng)，進(jìn)一步得到明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。
[0012]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的另一個(gè)技術(shù)方案是:提供一種利用河工模型測(cè)量方法明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的方法，所述河工模型包括河床子模型以及位于河床子模型兩側(cè)的左河岸子模型和右河岸子模型，所述河工模型包括水源進(jìn)口端和水源出口端，包括:確定待測(cè)位置及其所在的打光平面；將激光源置于其中一個(gè)河岸子模型的外壁，并使它的入射光對(duì)準(zhǔn)待測(cè)位置處的打光平面；在與激光源相對(duì)的一個(gè)河岸子模型的外壁上貼反射鏡，使所述反射鏡將激光源反射到待測(cè)位置以使反射光平面與入射光平面重合；在河床子模型的外側(cè)面安裝圖像采集裝置；使供回水裝置將水放入河工模型中；將示蹤粒子加入流動(dòng)的水體中；使圖像采集裝置對(duì)焦到待測(cè)位置并進(jìn)行采集；使與圖像采集裝置連接的計(jì)算處理裝置接收?qǐng)D像采集裝置傳送的圖片；依次將相鄰的兩張圖片進(jìn)行流場(chǎng)矢量計(jì)算，將計(jì)算得到的每一個(gè)流場(chǎng)矢量制成一張流場(chǎng)瞬時(shí)圖；將流場(chǎng)瞬時(shí)圖去重后，按照先后順序、從右至左依次進(jìn)行排列，以得到明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的矢量流場(chǎng)。
[0013]進(jìn)一步的，在依次將相鄰的兩張圖片進(jìn)行流場(chǎng)矢量計(jì)算的步驟中:將相鄰的兩張圖片分別劃分為多個(gè)相同的矩形判讀窗口，統(tǒng)計(jì)出兩張圖中每一對(duì)相同位置的矩形判讀窗口中的示蹤粒子的量，得到兩張圖中同一個(gè)位置的矩形判讀窗口中示蹤粒子的變化，得到相鄰兩張圖中同一個(gè)位置的矩形判讀窗口的一個(gè)流場(chǎng)矢量；將每一個(gè)流場(chǎng)矢量制成一張流場(chǎng)瞬時(shí)圖。
[0014]進(jìn)一步的,在將示蹤粒子加入流動(dòng)的水體中的步驟包括:通過所述示蹤粒子加入設(shè)備勻速地將示蹤粒子加入到流動(dòng)的水體中，其中，所述示蹤粒子加入設(shè)備包括兩根擱置桿，位于兩根擱置桿中間的箱體，所述箱體的箱底設(shè)有由電機(jī)帶動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌裝置，在箱底的底部還接一輸出管道的接入端，所述輸出管道的輸出口埋于流動(dòng)的水體中，在所述輸出管道上還增設(shè)有控制示蹤粒子的流量大小的閘閥；所述示蹤粒子加入設(shè)備通過兩根擱置桿放置于左河岸子模型和右河岸子模型上。
[0015]進(jìn)一步的，所述輸出管道的輸出口為直徑Imm的細(xì)鋼針，它埋于水體中。
[0016]進(jìn)一步的，在確定測(cè)量位置所處的打光平面的步驟中，分別在左河岸子模型和左河岸子模型上放置兩個(gè)鋼尺，通過鋼尺量出測(cè)量位置的打光平面。
[0017]本發(fā)明的利用河工模型測(cè)量明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)及方法，相比現(xiàn)有技術(shù)，能夠更清楚的采集到待測(cè)量位置的流動(dòng)的水體，在加入示蹤粒子時(shí)，能夠勻速地、連續(xù)不間斷地、可調(diào)節(jié)流速地將示蹤粒子加入到流動(dòng)的水體中。
[0018]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0020]圖1是本發(fā)明利用河工模型測(cè)量明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2是圖1中示蹤粒子加入設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖3是本發(fā)明利用河工模型測(cè)量方法明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的方法一實(shí)施例的流程圖。
[0023]

【具體實(shí)施方式】
[0024]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0025]首先，在對(duì)實(shí)施例進(jìn)行描述之前，有必要對(duì)本文中出現(xiàn)的一些術(shù)語進(jìn)行解釋。例如:
本文中若出現(xiàn)使用“第一”、“第二”等術(shù)語來描述各種元件，但是這些元件不應(yīng)當(dāng)由這些術(shù)語所限制。這些術(shù)語僅用來區(qū)分一個(gè)元件和另一個(gè)元件。因此，“第一”元件也可以被稱為“第二”元件而不偏離本發(fā)明的教導(dǎo)。
[0026]另外，應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)提及一元件“連接”或者“聯(lián)接”到另一元件時(shí)，其可以直接地連接或直接地聯(lián)接到另一元件或者也可以存在中間元件。相反地，當(dāng)提及一元件“直接地連接”或“直接地聯(lián)接”到另一元件時(shí)，則不存在中間元件。
[0027]在本文中出現(xiàn)的各種術(shù)語僅僅用于描述具體的實(shí)施方式的目的而無意作為對(duì)本發(fā)明的限定。除非上下文另外清楚地指出，則單數(shù)形式意圖也包括復(fù)數(shù)形式。
[0028]當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包括”和/或“包括有”時(shí)，這些術(shù)語指明了所述特征、整體、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但是也不排除一個(gè)以上其他特征、整體、步驟、操作、元件、部件和/或其群組的存在和/或附加。
[0029]關(guān)于實(shí)施方式:
請(qǐng)參見圖1及圖2，本發(fā)明一實(shí)施方式的利用河工模型測(cè)量明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，所述河工模型包括河床子模型101以及位于河床子模型101兩側(cè)的左河岸子模型102和右河岸子模型103，所述河工模型包括水源進(jìn)口端和水源出口端，所述測(cè)量的系統(tǒng)包括:
激光源；由一激光發(fā)射器11發(fā)出；所述激光發(fā)射器11置于左河岸子模型102或者右河岸子模型103的外側(cè)，所述激光發(fā)射器11用于將激光源水平射入河工模型的待測(cè)位置；本實(shí)施方式中，所述激光發(fā)射器11采用可自由調(diào)節(jié)底座高度的激光發(fā)射器11，以能夠自由地、方便地對(duì)準(zhǔn)待測(cè)量位置
反射鏡12，貼于與激光源相對(duì)的一個(gè)河岸子模型的外壁；反射鏡12用于使激光源的反射光平面與入射光平面重合；本實(shí)施方式中，在貼反射鏡12之前，需要確定待測(cè)量位置以及它所處于的激光打光平面；例如:設(shè)河工模型的寬為25厘米，高為25厘米，長(zhǎng)為11米，那么，設(shè)我們想測(cè)河工模型中起始長(zhǎng)度為2.10米、終止長(zhǎng)度為2.20米段為待測(cè)位置，那么，我們則需要先確認(rèn)這個(gè)段的待測(cè)位置，在待測(cè)位置確定好之后，則需要確定該待測(cè)位置的激光打光平面，例如，我位想在上述待測(cè)位置的高度為4厘米的平面進(jìn)行打光，則要確定這個(gè)打光平面，待所測(cè)位置和打光平面確定好之后，將反射鏡12貼在這個(gè)待測(cè)位置相對(duì)應(yīng)的左河岸子模型102或者右河岸子模型103的外壁上，在將反射鏡12貼于河岸子模型的外壁后，可以通過調(diào)節(jié)反射鏡12的傾角，以使反射鏡12的反射光平面與激光源的入射光平面重合，以增加打光平面的激光強(qiáng)度；當(dāng)激光發(fā)射器11則置于右河岸子模型103的外側(cè)時(shí)，反射鏡12則貼于左河岸子模型102的外壁，當(dāng)激光發(fā)射器11則置于左河岸子模型102的外側(cè)時(shí)，反射鏡12則貼于右河岸子模型103的外壁；
供回水裝置(圖未示出)，位于河工模型的進(jìn)口端；
示蹤粒子加入設(shè)備14，位于河工模型的水源進(jìn)口端，它勻速地將示蹤粒子加入到流動(dòng)的水體中；所述示蹤粒子加入設(shè)備14包括:兩根擱置桿141以及位于兩根擱置桿141中間的且上端開口的箱體142，所述箱體142的箱底設(shè)有由電機(jī)帶動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌裝置143，在箱底的底部還與一輸出管道144的接入端相接通，所述輸出管道144的輸出口埋于流動(dòng)的水體中，在所述輸出管道144上還增設(shè)有控制示蹤粒子的流量大小的閘閥145 ;所述示蹤粒子加入設(shè)備14通過兩根擱置桿141放置于左河岸子模型102和右河岸子模型103上。其中:所述輸出管道144的輸出口為Imm的細(xì)鋼針，它埋于流動(dòng)的水體中。在使用時(shí)，將示蹤粒子倒入箱體142,開啟電源,使轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌裝置143對(duì)示蹤粒子進(jìn)行勻速地?cái)嚢?示蹤粒子通過輸出管道144勻速地流入流動(dòng)的水體中，在使用之前或者在使用的過程中，可以通過閘閥145對(duì)輸出量的大小進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)可控、可調(diào)地、連續(xù)地不間斷地加入示蹤粒子到流動(dòng)的水體中；
置于河床子模型101下端的圖像采集裝置15 ;所述圖像采集裝置15采用CXD相機(jī)，它的鏡頭朝向河床子模型101，在使用時(shí)，使CCD相機(jī)位于等待測(cè)位置的下方的河床子模型101的外壁，調(diào)節(jié)CCD相機(jī)的焦距，使它聚集到待測(cè)位置以及激光的打光平面；
以及計(jì)算處理裝置，其與所述圖像采集裝置15連接，且用于對(duì)采集到的圖像進(jìn)行分析、處理以得到明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算處理裝置；所述計(jì)算處理裝置還用于將接收到的多張采集圖片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)每相鄰的兩張圖片進(jìn)行流場(chǎng)矢量計(jì)算，將計(jì)算得到的每一個(gè)流場(chǎng)矢量制成一張流場(chǎng)瞬時(shí)圖；還用于將流場(chǎng)瞬時(shí)圖去重后，按照先后順序、從右至左依次進(jìn)行排列，以得到明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的矢量流場(chǎng)，進(jìn)一步得到明渠湍流得結(jié)構(gòu)。流場(chǎng)矢量的計(jì)算方式如下:在接收到的多張圖片中，將時(shí)間上相鄰的兩張圖片進(jìn)行計(jì)算。例如:計(jì)算處理裝置接收到100張圖片，那么則將相鄰的第I張和第2張圖片進(jìn)行流場(chǎng)矢量計(jì)算:首先，將第I張和第2張圖片分別劃分為多個(gè)相同的矩形判讀窗口，設(shè)將第I張圖片和第2張圖片分別劃分為100個(gè)窗口，S卩100*2，再對(duì)兩張圖片中相同位置的矩形判讀窗口進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)出相同位置處的示蹤粒子的位移，通過位移判斷示蹤粒子的移動(dòng)速度、移動(dòng)方向，即流場(chǎng)矢量。比如:先將第I張圖片的第I個(gè)矩形判讀窗口與第2張圖片的第I個(gè)矩形判讀窗口進(jìn)行相關(guān)性匹配計(jì)算，例如將第I張圖片的第I個(gè)矩形判讀窗口的示蹤粒子的相對(duì)位置，與第2張圖片的第I個(gè)矩形判讀窗口的示蹤粒子的相對(duì)位置進(jìn)行匹配，那么，得到兩個(gè)矩形判讀窗口粒子相對(duì)位置最相似的位移，在此次統(tǒng)計(jì)完之后，再取第I張圖片的第2個(gè)矩形判讀窗口與第2張圖片的第2個(gè)判讀窗口進(jìn)行計(jì)算，以此類推，直至統(tǒng)計(jì)完第I張和第2張圖片的流場(chǎng)矢量；再將第2張圖片和第3張圖片劃分為同樣的100個(gè)矩形判讀窗口，再進(jìn)行如上的統(tǒng)計(jì)，將第2張和第3張圖片的流場(chǎng)矢量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以此類推，直至統(tǒng)計(jì)完100張圖片，以形成多個(gè)流場(chǎng)矢量，將這些流場(chǎng)矢量制成一張流場(chǎng)瞬時(shí)圖。再將流場(chǎng)瞬時(shí)圖去除部分重疊后、按按先后順序進(jìn)行排列，以得到待測(cè)位置的明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的矢量流場(chǎng)?？梢岳斫獾?，以上舉例僅僅是用于能夠更方便的理解本發(fā)明的方案，它不用于限位本發(fā)明的保護(hù)范圍。在不同的實(shí)施方式中，上述的統(tǒng)計(jì)方法可以有類似的一些變化，例如在矩形判讀窗口的劃分上，可以根據(jù)不同的情況劃分不同數(shù)量的矩形判讀窗口，在對(duì)兩張圖片的相同位置的矩形判讀窗口進(jìn)行流場(chǎng)矢量的統(tǒng)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)不同的情況，對(duì)兩張圖片的相同位置的I個(gè)矩形判讀窗口、或者多個(gè)相同位置的判讀窗口進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，它絕不僅限于四個(gè)矩形判讀窗口。
[0030]在測(cè)量過程中，所述供回水裝置放水后，示蹤粒子加入設(shè)備14加入示蹤粒子至流動(dòng)的水體中，所述激光源從其中一個(gè)河岸子模型穿入，它穿過待測(cè)位置的流動(dòng)的水體，將激光射入到反射鏡12中，所述反射鏡12將激光再次反射到待測(cè)位置以增加待測(cè)位置處的激光強(qiáng)度，所述圖像采集裝置15對(duì)待測(cè)位置的湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算處理裝置，所述計(jì)算機(jī)處理裝置對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理以得到待測(cè)位置的明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，其中，所述采集數(shù)據(jù)為圖片。
[0031]本發(fā)明實(shí)施方式,通過在其中一個(gè)河岸子模型的外壁上貼反光鏡，并使反光鏡的反射光可以與激光源的入射光的打光平面重合，增加了打光平面的激光強(qiáng)度，使得圖像采集裝置能夠采集到更清楚的圖像數(shù)據(jù)；采用新的示蹤粒子加入設(shè)備，它能夠勻速地將示蹤粒子加入到流動(dòng)的水體中，它可以調(diào)節(jié)流入量，能夠可控、可調(diào)、勻速地加入示蹤粒子；通過計(jì)算處理裝置，能夠?qū)r(shí)間先后順序上將相鄰的每?jī)蓮垐D片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，以得到明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，為以后的水利工程提供一個(gè)良好的基礎(chǔ)和準(zhǔn)備。
[0032]請(qǐng)參見圖3，圖3是本發(fā)明利用河工模型測(cè)量明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的方法一實(shí)施方式的流程圖。同樣的，本實(shí)施方式中的河工模型包括河床子模型以及位于河床子模型兩側(cè)的左河岸子模型和右河岸子模型，所述河工模型包括水源進(jìn)口端和水源出口端。本實(shí)施方式的利用河工模型測(cè)量明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的方法包括如下步驟:
S101、確定待測(cè)位置及其所在的激光打光平面；
本步驟中，可以通過鋼尺測(cè)量待測(cè)位置以及它的激光打光平面。例如:設(shè)河工模型的寬為25厘米，高為25厘米，長(zhǎng)為11米，設(shè)我們想測(cè)河工模型中起始長(zhǎng)度為2.10米、終止長(zhǎng)度為2.20米段為待測(cè)位置，那么，我們則需要先確認(rèn)這個(gè)段的待測(cè)位置，在待測(cè)位置確定好之后，則需要確定該待測(cè)位置的激光打光平面，例如，我位想在上述待測(cè)位置的高度為4厘米的平面進(jìn)行激光打光，則要確定這個(gè)打光平面，待所測(cè)位置和打光平面確定好之后，將反射鏡貼在這個(gè)待測(cè)位置相對(duì)應(yīng)的左河岸子模型或者右河岸子模型的外壁上，在將反射鏡貼于河岸子模型的外壁后，可以通過調(diào)節(jié)反射鏡的傾角，以使反射鏡的反射光平面與激光源的入射光平面重合，以增加打光平面的激光強(qiáng)度。其中，在確定激光打光平面時(shí)，可以通過在左河岸子模型和右河岸子模型上分別放四個(gè)鋼尺，以測(cè)量從河床子模型向上的高度為4厘米的打光平臺(tái)。
[0033]S102、將激光源置于其中一個(gè)河岸子模型的外壁，并使它的入射光對(duì)準(zhǔn)待測(cè)位置的打光平面；
本步驟中，所述激光源由一激光發(fā)射器發(fā)出，所述激光發(fā)射器置于左河岸子模型或者右河岸子模型的外側(cè)，所述激光源與反射鏡相對(duì)；本實(shí)施方式中，所述激光發(fā)射器采用可自由調(diào)節(jié)底座高度的激光發(fā)射器，這樣的好處在于，在確定好激光發(fā)射器的放置位置后，可以通過調(diào)節(jié)激光發(fā)射器的底座的高度，來確定激光發(fā)射器的入射光與上述待測(cè)位置的打光平面一致。其中，通過開啟激光，將激光強(qiáng)度調(diào)為微弱級(jí)別以確定激光的入射光與待測(cè)位置的打光平面是否一致。將激光強(qiáng)度調(diào)為微弱級(jí)別的目的在于，由于河工模型采用的是透明玻璃材料，而透明玻璃材料會(huì)反光，該微弱級(jí)別的激光不會(huì)傷到用戶的眼睛，對(duì)用戶的眼睛起到一個(gè)保護(hù)作用。
[0034]S103、在與激光源相對(duì)的一個(gè)河岸子模型的外壁上貼反射鏡，使所述反射鏡將激光源反射到待測(cè)位置以使反射光平面與入射光平面重合；
本步驟中，當(dāng)激光發(fā)射器則置于右河岸子模型的外側(cè)時(shí)，反射鏡則貼于左河岸子模型的外壁，當(dāng)激光發(fā)射器則置于左河岸子模型的外側(cè)時(shí)，反射鏡則貼于右河岸子模型的外壁。將所述反光鏡貼好之后，調(diào)整反光鏡的傾角，使反光鏡的反射光平面與激光源的入射光平面重合，以增強(qiáng)激光強(qiáng)度。
[0035]S104、在河床子模型的外側(cè)面安裝圖像采集裝置；
本步驟中，所述圖像采集裝置為CCD相機(jī)，安置于河床子的下端并位于所述河床子模型的外壁，它具體位于待測(cè)位置的正下方，它的鏡頭對(duì)準(zhǔn)待測(cè)位置；
5105、使供回水裝置將水放入河工模型中；
5106、將示蹤粒子加入流動(dòng)的水體中；
本步驟中，通過示蹤粒子加入設(shè)備勻速地將示蹤粒子加入到流動(dòng)的水體中。其中:所述示蹤粒子加入設(shè)備包括:兩根擱置桿以及位于兩根擱置桿中間的且上端開口的箱體，所述箱體的箱底設(shè)有由電機(jī)帶動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌裝置，在箱底的底部還與一輸出管道的接入端相接通，所述輸出管道的輸出口埋于流動(dòng)的水體中，在所述輸出管道上還增設(shè)有控制示蹤粒子的流量大小的閘閥；所述示蹤粒子加入設(shè)備通過兩根擱置桿放置于左河岸子模型和右河岸子模型上。所述輸出管道的輸出口為Imm的細(xì)鋼針，它埋于流動(dòng)的水體中。在使用時(shí)，將示蹤粒子倒入箱體，啟動(dòng)電動(dòng)，使轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌裝置對(duì)示蹤粒子進(jìn)行勻速地?cái)嚢?，示蹤粒子通過輸出管道勻速地流入流動(dòng)的水體中，在使用之前或者在使用的過程中，可以通過閘閥對(duì)輸出量的大小進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)可控、可調(diào)地、連續(xù)地不間斷地加入示蹤粒子到流動(dòng)的水體中。
[0036]S107、使圖像采集裝置對(duì)焦到待測(cè)位置并進(jìn)行采集；
本步驟中，使用C⑶相機(jī)對(duì)待測(cè)位置進(jìn)行調(diào)整連拍，并將連拍到的多張圖片傳送至計(jì)算處理裝置。
[0037]S108、使與圖像采集裝置連接的計(jì)算處理裝置接收?qǐng)D像采集裝置發(fā)送的圖片； S109、根據(jù)接收到的圖片，依次將相鄰的兩張圖片進(jìn)行流場(chǎng)矢量計(jì)算，將計(jì)算得到的每一個(gè)流場(chǎng)矢量制成一張流場(chǎng)瞬時(shí)圖；
本步驟中，將兩張圖片分別片劃分為均勻的矩形判讀窗口，再將兩個(gè)圖片的相同位置的判讀窗口進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，求出相關(guān)性最大的窗口中心的距離和方向即為判讀窗口的流體的位移大小和方向，逐步由判讀窗口計(jì)算完全部圖像畫面，并由此得到整個(gè)流場(chǎng)矢量做為一個(gè)流場(chǎng)瞬時(shí)圖。
[0038]假設(shè)接收到的圖片為100張，那么則將相鄰的第I張和第2張圖片進(jìn)行流場(chǎng)矢量計(jì)算:
首先，將第I張和第2張圖片分別劃分為多個(gè)相同的矩形判讀窗口，設(shè)將第I張圖片和第2張圖片分別劃分為100個(gè)窗口，S卩100*2，再對(duì)兩張圖片中相同位置的矩形判讀窗口進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)出相同位置處的示蹤粒子的位移，通過位移判斷示蹤粒子的移動(dòng)速度、移動(dòng)方向，即流場(chǎng)矢量。比如:先將第I張圖片的第I個(gè)矩形判讀窗口與第2張圖片的第I個(gè)矩形判讀窗口進(jìn)行相關(guān)性匹配計(jì)算，例如將第I張圖片的第I個(gè)矩形判讀窗口的示蹤粒子的相對(duì)位置，與第2張圖片的第I個(gè)矩形判讀窗口的示蹤粒子的相對(duì)位置進(jìn)行匹配，那么，得到兩個(gè)矩形判讀窗口粒子相對(duì)位置最相似的位移，在此次統(tǒng)計(jì)完之后，再取第I張圖片的第2個(gè)矩形判讀窗口與第2張圖片的第2個(gè)判讀窗口進(jìn)行計(jì)算，以此類推，直至統(tǒng)計(jì)完第I張和第2張圖片的流場(chǎng)矢量；再將第2張圖片和第3張圖片劃分為同樣的100個(gè)矩形判讀窗口，再進(jìn)行如上的統(tǒng)計(jì)，將第2張和第3張圖片的流場(chǎng)矢量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以此類推，直至統(tǒng)計(jì)完100張圖片，以形成多個(gè)流場(chǎng)矢量，將這些流場(chǎng)矢量制成一張流場(chǎng)瞬時(shí)圖。再將流場(chǎng)瞬時(shí)圖去除部分重疊后、按按先后順序進(jìn)行排列，以得到待測(cè)位置的明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的矢量流場(chǎng)?？梢岳斫獾兀陨吓e例僅僅是用于能夠理方便的理解本發(fā)明的方案，它便不用于限位本發(fā)明的保護(hù)范圍。在不同的實(shí)施方式中，上述的統(tǒng)計(jì)方法可以有類似的一些變化，例如在矩形判讀窗口的劃分上，可以根據(jù)不同的情況劃分不同數(shù)量的矩形判讀窗口，在對(duì)兩張圖片的相同位置的矩形判讀窗口進(jìn)行流場(chǎng)矢量的統(tǒng)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)不同的情況，對(duì)兩張圖片的相同位置的I個(gè)矩形判讀窗口、或者多個(gè)相同位置的判讀窗口進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，它絕不僅限于四個(gè)矩形判讀窗口。
[0039]S110、將流場(chǎng)瞬時(shí)圖去重后，按照先后順序、從右至左依次進(jìn)行排列，以得到明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的矢量流場(chǎng)。根據(jù)得到的明渠湍流長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，分析該明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的低速等動(dòng)量區(qū)、高速條帶、渦量、渦運(yùn)動(dòng)演變過程等。為后續(xù)的水利工程工作提供有利的基礎(chǔ)和準(zhǔn)備。
[0040]本發(fā)明實(shí)施方式，通過將反光鏡貼于與激光源相對(duì)的一面的河岸子模型的外壁上，使反光鏡能夠反射激光，并使反射光和入射光位于同一個(gè)打光平面，增加了激光的強(qiáng)度，使圖像采集裝置能夠采集到更清楚的圖像。通過新的示蹤粒子加入設(shè)備將示蹤粒子勻速的加入到流動(dòng)的水體中，并且該示蹤粒子加入設(shè)備可控制示蹤粒子的流量大小，使得加入水體過示蹤粒子的過程、流量可控制和調(diào)節(jié)。通過計(jì)算處理裝置，能夠?qū)r(shí)間先后順序上將相鄰的每?jī)蓮垐D片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，以得到明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，為以后的水利工程提供一個(gè)良好的基礎(chǔ)和準(zhǔn)備。
[0041]以上僅為本發(fā)明的實(shí)施方式，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的【技術(shù)領(lǐng)域】，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種利用河工模型測(cè)量明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，所述河工模型包括河床子模型以及位于河床子模型兩側(cè)的左河岸子模型和右河岸子模型，所述河工模型包括水源進(jìn)口端和水源出口端，所述測(cè)量的系統(tǒng)包括: 激光源，由一激光發(fā)射器發(fā)出；所述激光發(fā)射器置于左河岸子模型或者右河岸子模型的外側(cè)，所述激光發(fā)射器用于將激光源水平射入河工模型的待測(cè)位置； 反射鏡，貼于與激光源相對(duì)的一個(gè)河岸子模型的外壁；反射鏡用于使激光源的反射光平面與入射光平面重合； 供回水裝置，位于河工模型的進(jìn)口端； 示蹤粒子加入設(shè)備，位于河工模型的水源進(jìn)口端，它勻速地加入示蹤粒子到流動(dòng)的水體中； 置于河床子模型下端的圖像采集裝置；以及 計(jì)算處理裝置，其與所述圖像采集裝置連接，且用于對(duì)采集到的圖像進(jìn)行分析、處理以得到明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算處理裝置； 所述供回水裝置放水后，示蹤粒子加入設(shè)備將示蹤粒子加入至流動(dòng)的水體中，所述激光源從其中一個(gè)河岸子模型水平穿入，它穿過待測(cè)位置的流動(dòng)的水體，將激光打入到反射鏡中，所述反射鏡將激光再次反射到待測(cè)位置以增加待測(cè)位置處的激光強(qiáng)度，所述圖像采集裝置對(duì)待測(cè)位置的湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算處理裝置，所述計(jì)算機(jī)處理裝置對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理以得到待測(cè)位置的明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，其中，所述采集數(shù)據(jù)為圖片。
2.如權(quán)利要求1所述的利用河工模型測(cè)量明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其特征在于:所述示蹤粒子加入設(shè)備包括兩根擱置桿以及位于兩根擱置桿中間且上端開口的箱體，所述箱體的箱底設(shè)有由電機(jī)帶動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌裝置，在箱底的底部還與一輸出管道的接入端相接通，所述輸出管道的輸出口埋于流動(dòng)的水體中，在所述輸出管道上還增設(shè)有控制示蹤粒子的流量大小的閘閥；所述示蹤粒子加入設(shè)備通過兩根擱置桿放置于左河岸子模型和右河岸子模型上。
3.如權(quán)利要求2所述的利用河工模型測(cè)量明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其特征在于:所述輸出管道的輸出口為直徑1皿的細(xì)鋼針，它埋于水體中。
4.如權(quán)利要求1所述的利用河工模型測(cè)量明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其特征在于:所述激光發(fā)射器具有一個(gè)可自由調(diào)整高度的底座。
5.如權(quán)利要求1所述的利用河工模型測(cè)量明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其特征在于:所述計(jì)算處理裝置還用于將接收到的多張采集圖片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)每相鄰的兩張圖片進(jìn)行流場(chǎng)矢量計(jì)算，將計(jì)算得到的每一個(gè)流場(chǎng)矢量制成一張流場(chǎng)瞬時(shí)圖；還用于將流場(chǎng)瞬時(shí)圖去重后，按照先后順序、從右至左依次進(jìn)行排列，以得到明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的矢量流場(chǎng)，進(jìn)一步得到明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。
6.一種利用河工模型測(cè)量方法明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的方法，所述河工模型包括河床子模型以及位于河床子模型兩側(cè)的左河岸子模型和右河岸子模型，所述河工模型包括水源進(jìn)口端和水源出口端，包括: 確定待測(cè)位置及其所在的打光平面； 將激光源置于其中一個(gè)河岸子模型的外壁，并使它的入射光對(duì)準(zhǔn)待測(cè)位置處的打光平面； 在與激光源相對(duì)的一個(gè)河岸子模型的外壁上貼反射鏡，使所述反射鏡將激光源反射到待測(cè)位置以使反射光平面與入射光平面重合； 在河床子模型的外側(cè)面安裝圖像采集裝置； 使供回水裝置將水放入河工模型中； 將示蹤粒子加入流動(dòng)的水體中； 使圖像采集裝置對(duì)焦到待測(cè)位置并進(jìn)行采集； 使與圖像采集裝置連接的計(jì)算處理裝置接收?qǐng)D像采集裝置傳送的圖片； 依次將相鄰的兩張圖片進(jìn)行流場(chǎng)矢量計(jì)算，將計(jì)算得到的每一個(gè)流場(chǎng)矢量制成一張流場(chǎng)瞬時(shí)圖； 將流場(chǎng)瞬時(shí)圖去重后，按照先后順序、從右至左依次進(jìn)行排列，以得到明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的矢量流場(chǎng)。
7.如權(quán)利要求6所述的利用河工模型測(cè)量明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其特征在于，在依次將相鄰的兩張圖片進(jìn)行流場(chǎng)矢量計(jì)算的步驟中:將相鄰的兩張圖片分別劃分為多個(gè)相同的矩形判讀窗口，統(tǒng)計(jì)出兩張圖中每一對(duì)相同位置的矩形判讀窗口中的示蹤粒子的量，得到兩張圖中同一個(gè)位置的矩形判讀窗口中示蹤粒子的變化，得到相鄰兩張圖中同一個(gè)位置的矩形判讀窗口的一個(gè)流場(chǎng)矢量；將每一個(gè)流場(chǎng)矢量制成一張流場(chǎng)瞬時(shí)圖。
8.如權(quán)利要求7所述的利用河工模型測(cè)量明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其特征在于，在將示蹤粒子加入流動(dòng)的水體中的步驟包括:通過所述示蹤粒子加入設(shè)備勻速地將示蹤粒子加入到流動(dòng)的水體中，其中，所述示蹤粒子加入設(shè)備包括兩根擱置桿，位于兩根擱置桿中間的箱體，所述箱體的箱底設(shè)有由電機(jī)帶動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌裝置，在箱底的底部還接一輸出管道的接入端，所述輸出管道的輸出口埋于流動(dòng)的水體中，在所述輸出管道上還增設(shè)有控制示蹤粒子的流量大小的閘閥；所述示蹤粒子加入設(shè)備通過兩根擱置桿放置于左河岸子模型和右河岸子模型上。
9.如權(quán)利要求8所述的利用河工模型測(cè)量明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其特征在于:所述輸出管道的輸出口為直徑1皿的細(xì)鋼針，它埋于水體中。
10.如權(quán)利要求6所述的利用河工模型測(cè)量方法明渠湍流長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于:在確定測(cè)量位置所處的打光平面的步驟中，分別在左河岸子模型和左河岸子模型上放置兩個(gè)鋼尺，通過鋼尺量出測(cè)量位置的打光平面。
【文檔編號(hào)】E02B1/02GK104314040SQ201410585752
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月28日
【發(fā)明者】楊勝發(fā), 張鵬, 魏祥龍, 胡江, 李文杰, 沈穎, 幸韻, 田蜜 申請(qǐng)人:重慶交通大學(xué)