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实验室条件下内波生成和演化的可视化测量

于佳  
【摘要】: 本文采用多种光学可视化测量技术进行分层流体(或海洋)中内波生成和演化的实验研究。基于内波在物理海洋、海洋工程及相关学科中的科学和实际应用的意义,它的研究倍受海洋学家和海洋工程研究者等的关注。由于海洋内波现场同步观测的高花费和不可能性,内波的实验研究成为重要的研究方法之一。近年来,随着科学技术的进步,特别是流场的可视化技术和数据获取技术和某些新技术的出现,使得实验室条件下内波的可视化成为可能。在内波的可视化研究中,基于它的无干扰、非接触及二维甚至三维波场瞬时记录的特点,光学方法是一种重要的研究方法。在过去的十年,随着光学技术、成像技术和计算机技术的迅速发展,某些已有的光学方法,诸如纹影技术和常规的粒子速度测速(PIV)技术日趋成熟,一些新的光学方法,如数字纹影技术等出现并走向实用。而同时新课题的挑战不断出现,对流场进行各种参数测量的需求日益增强,内波场的可视化测量既是其中之一。国外在内波场的可视化测量研究领域起步早、技术较为先进。国内研究总体上不及国外,成果转化相对滞后。从理论研究的角度来讲,内波实验的可视化测量对内波理论研究具有重要的参考价值,对内波数值模拟结果具有辅助验证的作用。从实践角度来讲,进行光学可视化流体测量的研究和系统实现对推动国内流体测量技术开发应用和产业化进程具有重要的现实意义和应用价值。 本文的实验利用中国海洋大学物理海洋实验室二维和三维内波及分层流水槽,进行了两种类型内波的模拟实验:1)分层流体中运动物体生成的内波场,2)重力混合塌陷生成的内孤立波及其受地形作用而演变的模拟实验。这些模拟实验研究都基于相似原理,因此所得实验结果在物理海洋学、军事海洋学及海洋环境学都具有重要应用价值。实验结果能够为实地海洋内波的探测研究提供实验依据,为遥感技术探测和反演海洋内波的研究提供参考数据,还可以作为验证内波理论和数值模拟结果的重要依据。 本文研究方法是针对实验室模拟内波的测量要求,将光学可视化测量方法运用于内波实验,使两者有机地结合起来。主要研究过程是:第一步,构建内波生成的实验装置,包括实验水槽系统、模型的拖曳系统、调速及测速装置、地形等生成源的布放、架设,光学成像仪器的调试等,以构成一个完备的模拟内波实验可视化测量系统;第二步,进行内波模拟实验,同时拍摄内波场的数字图像;第三步,结合实验参数编写程序及对图像数据进行处理,提取信息,生成可视化图像和各内波场图像;第四步,根据所得数据对内波模拟实验装置和光学系统进行参数优化和改进;第五步,将实验所得图像与现有的内波理论和数值模拟结果进行比较。 为了记录并测量模拟实验生成的内波场,本文研究了若干种光学可视化测量方法的运用。在简要研究传统光学方法在内波研究中应用的基础上,重点研究一些新型光学测量方法,包括:大型立式激光纹影仪、数字合成纹影法(Digital Synthetic Schlieren)、粒子图像的测速技术(Particle Image Velocimeter, PIV)。本文首先研究了所用技术和仪器的基本原理,据此它们可分为两种类型:第一类,测量由流体密度变化引起的流体介质对光线折射率变化,进而拍摄生成的内波场图像,通过对图像的处理进行信息提取,计算内波的密度场分布信息,包括:大型立式激光纹影仪、数字合成纹影仪;第二类:在流体中加入光散射粒子,拍摄粒子在激光片光源照明下,随着流体运动的情况,通过对图像的处理进行信息提取,计算内波的速度场、涡度场等信息,包括激光片光源的粒子图像的测速技术。应指出,由于本文所研究问题的潜在应用背景,我们的研究重点是使用自行设计的大型立式激光纹影仪和自主研发的氩离子激光片光源大面积水平面PIV数据的获取,而且这两项工作在国际上也尚属首次。在建立内波实验可视化测量系统的过程中,本人的具体工作是参与设计大型立式激光纹影仪,自主搭建数字合成纹影仪和PIV系统,并将两者组合起来,形成一套专门用于内波实验的数字合成纹影仪和PIV联合测量系统。 本文的实验结果包括:由CCD和数码相机直接拍摄的内波图像、经计算机图像处理程序提取内波场强度(即立式激光纹影仪获取的内波灰度图像)、内波场的水平分布图、速度场和涡度场。针对文中研究的两种内波,本文在国内首次取得比较完整的内波场可视化测量结果,将图像结果数据和现有理论及数值计算结果进行了比较,结果表明理论和数值结果与内波光学实验结果很好地一致。从本文的理论和数值结果与该类内波的光学实验结果的比较可知,我们首次构建的这些光学测量方法是内波实验室实验的一种有效的和可靠的方法。


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