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基于多光谱成像的数字粒子图像测速技术研究

唐春晓  
【摘要】:数字粒子图像测速技术(Digital Particle Image Velocimetry,简称DPIV)是一种流场测量技术,在航空航天、空气\水动力学及燃烧学等研究中有着广泛的应用。近十年来,随着光学、成像技术和图像处理技术的迅速发展,DPIV技术也进入了快速发展的阶段。国外在DPIV研究领域起步比较早、技术上较为先进,并已有相关的技术实现了产品化。国内的研究总体上不及国外,成果的转化相对滞后。继续深化、完善DPIV不仅仅具有重要的学术意义,对推动国内DPIV技术的开发应用和产业化进程也具有极为重要的现实意义和应用价值。 本论文围绕着DPIV方法和与其相关技术来展开,全面、系统地研究DPIV的理论基础及其实现方法,重点研究DPIV技术中两个重要课题:如何提高DPIV测量系统的可测速度极限以及非定常复杂结构流场的测量的实现。同时研究流场中示踪粒子的跟随性问题,为复杂结构流场的DPIV测量中示踪粒子的选择提供理论依据。 在DPIV测量中,一个系统可测量的流速范围由图像中粒子的位移大小和图像时间间隔决定,而图像中粒子的位移大小受成像系统放大倍率、物距等影响,难以统一评价,因此可测流速极限的评价主要取决于两幅粒子图像之间的时间间隔。针对这一课题本项研究提出了一种新的缩短两幅粒子图像之间时间间隔的方法:多波长激光脉冲照明与多光谱成像技术。论文的作者依据这一技术的原理设计并搭建了一套基于多光谱成像的DPIV测量系统,将两幅粒子图像之间的时间间隔缩短至50秒,可用于超音速流场的测量。 复杂结构流场主要是指既存在流速很高的区域,也存在流速较低的区域的一类流场。非定常流场则是指流场的流动不具备周期性。传统的DPIV系统采用双激光脉冲照明流场,仅存在一个时间间隔,在测量非定常复杂结构流场时会遇到难以兼顾的问题。若将时间间隔设定的较大,适合流场中低速区域的测量时,高速区域粒子在这一段时间内逸出图像采集系统的成像范围从而造成错误匹配得出错误的测量结果。若将时间间隔设定的较小,适合流场中高速区域的测量时,低速区域的粒子在这一段时间内的位移极小,难以得到令人满意的测量结果。针对这一课题本项目研究提出采用连续多时间间隔合成处理技术,解决DPIV在复杂结构流场测量中因流速跨度大而造成的测量精度下降或是测量无效等问题。 本论文详细研究了粒子图像匹配的算法,并选取频域互相关算法为核心编写了应用于基于多光谱成像的DPIV测量系统的软件。由于复杂结构流场中高速区与低速区混杂,现有的错误矢量的自动检测算法在复杂结构流场的测量中并不适用。本论文根据复杂结构流场的特性在现有的错误矢量的自动检测算法的基础上提出了一种新的错误矢量的自动检测算法:模角灰度图像算法。作者在实验室中对整个系统进行了标定,并通过对管道射流、方管内部流场、圆柱绕流以及化学萃取塔内部流场的实际测量验证了该系统的实用性。


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