基于无人机自标定的表面流场测量方法

针对无人机图像标定及配准等关键技术问题,提出了一种基于无人机自标定的表面流场测量方法。该方法基于运动恢复结构(SFM)三维重建技术完成无人机图像自标定,采用加速稳健特征变换(SURF)方法对无人机图像进行配准。将该方法应用于南京市三汊河河口闸下游表面流场测量,结果表明,基于SFM的三维重建精度可以满足自标定的要求,不需要另外设置地面控制点对无人机图像进行标定,简化无人机标定过程,SURF方法可有效地消除无人机位置飘移对表面流场测量结果的影响。

顺轨干涉SAR海洋表面流场迭代反演算法

该文在分析传统顺轨干涉SAR表面流场速度分离方法不足的基础上,根据海面微波成像仿真模型建立了顺轨干涉SAR海洋表面流场迭代反演算法。利用该迭代反演算法对JPL AIRSAR获得的机载顺轨干涉SAR数据进行流场反演,并将反演流场与普林斯顿海洋模型(POM)的输出流场进行对比,两个流场具有很好的一致性,证实了该迭代反演算法的有效性。

无纺织布喷熔射流拖网表面流场特性研究

本文的工作是对喷熔无纺织布的常用生产设备—喷熔机的风场特性及流动控制进行研究。通过理论分析、数值模拟和模型实验三个方面对问题展开了具体的研究,首先对喷熔机风场流动进行理论分析并建立数学模型,然后进行数值模拟,最后根据模型相似理论,制作比尺为3∶1的有机玻璃模型,使用90N10型热线风速测量系统(HFA),参考数值模拟工况对喷熔装置风场流动进行了实验测量,这三个部分工作彼此验证,补充和完善。数值模拟结果和实验测量结果基本一致,吸风装置工作状态对拖网板上方流场有重要影响。随着挡风板开度和主副吸风速度搭配的改变,拖网上方流场呈现规律性的变化。研究表明在恰当的挡风板开度和吸风速度下,拖网上方流场速度分布和压力分布的均匀性都有显著提高,进而使无纺布孔径更小更均匀,孔隙形状和孔隙结构更为规整,提高了无纺布的均匀性、强度以及过滤效率。

基于回归分析的表面流场粒子匹配算法

针对表面流速图像测试中高浓度粒子条件下测量误差大的问题,改进了最邻近匹配算法,提出基于回归分析的表面流场粒子匹配算法,即多帧回归粒子匹配算法。该算法综合粒子距离、运动轨迹、运动趋势等因素,应用一元线性回归分析法拟合粒子中心坐标,通过相关系数完成粒子匹配,实现最佳同源粒子追踪。运用多帧回归粒子匹配算法开发了改进型大尺度模型表面流场图像测试系统(ILSPIV),并将ILSPIV应用到八卦洲河工模型,ILSPIV和旋桨流速仪测量的断面垂线平均流速分布形态及数值基本一致,表明多帧回归粒子匹配算法能提升高浓度粒子条件下流速测量精度,更好地满足工程实践研究需求。

移动式表面流场测量技术及应用研究

本文开展明渠水槽桥墩绕流和推移质输沙试验,沿水槽方向使用高速相机进行移动拍摄,通过智能识别边壁控制点坐标对图像进行裁剪。通过形态学方法提取表面示踪粒子后,使用粒子追踪测速(PTV)技术和图像特征点识别测速(FMV)计算瞬时表面流场,根据流场位置对所测表面流场区域网格化后进行插值计算,以获得较大范围的表面流场。结果表明:本文使用的移动式表面流场测量方法可提高表面流场的精度和测量范围,此方法拓宽了表面流场测量的应用工况;FMV方法在圆柱绕流试验中可更准确识别圆柱侧方及后方旋转强度较大的区域,所求断面平均流速分布曲线更符合水流特性;推移质运动过程发现紊流表面时均流速仍存在高低速流带结构现象,同时高流速条带对应沙垄而低流速条带对应沙脊处,这表明水流地形相互固定形成了稳定时均结构,也验证了大尺度流向涡模型的合理性。

表面流场实时测量系统在三门核电厂潮流泥沙物理模型中的应用

大型潮流泥沙物理模型是人们认识和掌握潮汐河口水流泥沙运动规律的重要工具,是研究大型涉水工程对工程水域影响的科学手段。模型试验中的大量信息必须借助各种仪器设备来获取。由于试验经费和仪器性价比等原因,模型水流流速多用旋桨流速仪采集。然而,旋桨流速仪测速只能获取模型中有限点位的流速信息,同时也无法得到水流流向信息,致使大量模型信息无法采用。浙江省水利河口研究院从清华大学引进的表面流场实时测量系统(下称VDMS)通过在三门核电厂潮流泥沙物理模型中的应用,试验成果表明,VDMS可以较为完整准确的记录模型试验中的流场信息,弥补了传统旋桨流速仪的不足,在模型试验中具有较高的使用价值。

基于半规则纹理的三维表面流场可视化方法研究

针对基于点噪声的流场可视化不够形象的缺点,提出一种更直观的基于半规则纹理的三维表面流场可视化方法。首先,利用Mesh quilting技术在三维物体表面建立网格结构,并以组成网格结构的三角形作为基本模型,匹配样本纹理,形成第一帧纹理;随着流体的流动,角点的移动形成了新的网格结构,并对变形后的网格重新映射形成新一帧纹理图;最后,各帧纹理相连形成了一帧帧连续的流场动画。匹配过程中,为提高效率并保持帧之间的连续性,提出了最优纹理集加速匹配。实验表明,该方法可以获得较好的可视化效果。

基于半规则纹理和三角块映射的表面流场模拟

针对基于点噪声的流场可视化不够形象的缺点,提出一种更直观的基于半规则纹理和三角块映射的三维表面流场可视化方法。首先,建立模型的三角化网格,并以三角形作为基本单元,以三角形的重心场作为三角形的流场,结合具有方向性的半规则纹理进行纹理映射。同时,建立最大样本集和最优样本集加速场流动过程中纹理重新映射造成的时间损耗。最后,说明了添加矢量点后,三角块流场的合成方式。实验表明,该方法可以获得较好的可视化效果。

PDC钻头切削表面流场携岩能力分析

针对PDC钻头泥包问题,分析了钻头表面岩屑运移的原理。利用计算流体力学的理论和方法,建立了PDC钻头表面流体的流动方程和钻头冠部三维数据体模型。通过数值计算和数据分析,研究了钻头岩屑的起动条件,钻头冠部流体速度、压力分布等值线,形成了PDC钻头水力设计的基本原则。研究PDC钻头冠部速度流场分布是解决钻头表面岩屑颗粒起动而不产生泥包的直接途径。

高分三号卫星ATI模式海表面流场测量性能分析

顺轨干涉合成孔径雷达(Along-Track Interferometric Synthetic Aperture Radar,ATI-SAR)是获取高分辨率海表面流场的一种有效手段。文章首先分析了ATI-SAR海表面流场测量精度的影响因素(极化方式、入射角、有效顺轨基线、海面风场),给出了适用于ATI海表面流场测量的雷达系统参数,然后基于仿真实验对高分三号卫星海表面流场测量性能进行了研究。由于单星顺轨干涉基线长度有限影响流场测量精度,而在双星编队模式下可以使测量性能达到最佳,因此最后分析了双星编队方式下ATI海表面流场干涉基线选取范围,可为双星编队海流监测系统设计提供参考。

基于图像测速的薄壁堰流表面流场测量方法

针对薄壁堰流水面落差大、流速沿程变化剧烈的特点,提出一种测量堰流表面三维流场的有效方法。该方法基于双相机共面法重构水面形态(无需对相机进行复杂的内外参数标定)和大尺度粒子图像测速技术(LSPIV)测量二维流场,通过相机像平面与水面之间的空间映射关系,将像平面的二维流场数据逆投影至世界坐标系下已知坐标点的切平面上,解算出三维表面流场。该方法应用于薄壁堰流试验,有效重构了堰流三维表面形态及流场,其初步结果表明,堰流的流向速度在自由泄流长度范围内先增加后减小,转折点大致在自由泄流长度中间位置;在该位置之后,垂向流速占主导;同时该方法可行,计算结果合理。

基于双目视觉和粒子跟踪的河工模型三维表面流场测量方法

针对河工模型三维表面流场的测量需要,提出一种基于双目视觉和粒子跟踪的测量方法。首先进行双目相机标定,以将双目相机图像校正为行对齐;然后进行双目相机同名点匹配及单目相机连续图像同名点匹配,以重构散点流场;最后对散点流场进行网格化处理。结果表明,该方法应用于泥沙堆积淹没实验,适应性强,可真实反映水体表面流动特征,具有良好的推广前景。

表面流场的PyrLK“角点-质心”法在复杂流场中的应用

粒子匹配方法是准确获取表面流场的关键。本文详细阐述了新近提出的基于光流算法PyrLK"角点-质心"法的基本原理及具体实现过程,采用该方法对弯道水槽中较复杂的表面流场进行计算,并与目前较为先进的匹配几率法进行了对比。结果表明,对于本文所示的复杂流场,匹配几率法计算结果很大程度上依赖于对运动矢量允许偏差等参数的选取,且还会出现由于提取到非示踪粒子的质心并使其参与计算而产生的误匹配;而PyrLK"角点-质心"法只与运动图像特征信息相关,无示踪粒子特定匹配规则的假定,在复杂流场中能较好地实现粒子的跟踪与匹配。与匹配几率法相比,PyrLK"角点-质心"法对于复杂表面流场计算具有更好的适应性。

基于特征点匹配的室内表面流场快速测量系统

为提升室内模型试验表面流场测量的计算效率,建立了基于图像特征点匹配的模型试验表面流场快速测量系统。该系统由摄像机、示踪粒子和测速软件组成,试验中首先投掷示踪粒子并采集试验视频,然后导入测速软件进行图像预处理和基于图像特征点匹配算法的快速测流计算并实时展示瞬时流场,最终输出原型尺度的时均流场及流线图。该系统应用于堰坝水闸工程模型试验和泄洪洞射流模型试验,系统自动化程度高,计算效率高,应用场景适应性强;输出的流场具有高时空间分辨率,精度与PIV相当,可真实反映出试验工况下表面水流特性。

基于无人机的长河段表面流场测量系统与应用

针对自然河流长河段表面流场测量,建立了巡航模式下的无人机图像测速系统。首先在测流河段两岸布置地面控制点并向水面投掷示踪粒子,无人机巡航拍摄示踪粒子沿程运动影像,采用多视角运动结构恢复算法校正无人机影像,并利用粒子图像测速算法计算局部河段流场,最终拼接生成全河段流场。该系统应用于水电站引水渠和城市河流顺直河段,得到了大范围、高空间分辨率和高覆盖度的全河段流场,流场空间分布准确反映了测流区域的水体运动特征;与声学Doppler剖面流速仪和旋桨流速仪结果相比,断面流向速度变化趋势一致,测流相对误差分别为±10%和±5%,符合野外测量精度要求。该系统精度合理,应用性强,满足了长距离河段高空间分辨率流场测量需求。

栅栏沙丘表面流场的二维数值模拟

数值模拟是研究风沙地貌形态动力学和风沙工程工作原理的有效途径.本文利用数值模拟方法,通过对比不同的迎风坡度以及迎风坡上部设置阻沙栅栏条件下的沙丘近地面流场特征,讨论了沙区道路防护体系前沿"栅栏沙丘"形成发育的流场条件.结果表明,随沙丘迎风坡坡度增大,背风坡回流区变高、变长,且坡度>15°后背风坡回流区流场基本不再变化.沙丘迎风坡阻沙栅栏的影响主要体现在气流的提前分离及其背风侧小涡的形成,回流区范围因叠加而变得更高、更远.这种流场变化特征对沙丘表面风沙过程具有显著影响,是形态趋于高大、断面趋于对称的栅栏沙丘形成发展的原因所在.

基于鲁棒光流算法的海表流场遥感观测研究

海洋表面流场是海洋科学研究中需要着重考虑的环境参数,近实时的海洋表面流场精细化测量对海洋学研究有着重要意义,但是目前大多数海洋表面流场观测技术难以同步实现大范围近实时的海洋表面流场观测。文中在简要对比各类海洋表面流场测量方法的基础上,重点介绍了基于水色遥感图像观测反演海洋表面流场的鲁棒光流算法,该算法在流场计算过程中,能很好地保留流场细节信息。为直观验证本文测量方法的可靠性,文中提供了海洋表面流场的分析实例,同时给出了美国国家航空航天局(NASA)提供的OSCAR流场数据,对文中算法的可靠性进行了验证。

流场实时测量系统在京杭运河二通道出口航道试验研究中的应用

京杭运河二通道钱塘江出口拟建在七格弯道,该河段水动力强,水流变化复杂,河床冲淤幅度大,护岸丁坝群及其它涉水建筑物较多。从清华大学引进的表面流场实时测量系统(VDMS)在京杭运河二通道八堡船闸出口航道综合分析泥沙物理模型中的应用表明,VDMS可以较为完整和准确的记录模型试验中的流场信息,为试验结果提供有力依据,在模型试验中具有较高的使用价值。

基于模拟退火和区域划分的海表流场反演算法研究

经典的海洋表面流场迭代反演算法采用固定的校正系数对探测区域进行整体分析和计算,因此耗时较长且反演精度也受到了一定程度的限制。本文提出利用模拟退火算法对反演过程中的校正系数进行优化,使其能根据每一次反演的结果进行自适应的调整和改变,从而减少迭代次数;同时根据流场分布的特点,提出划分探测区域的反演方法,最终,在经典算法的基础上给出了改进的海表流场反演算法。仿真反演实验结果表明,改进后的反演算法,其时效性和精度都有了明显提高。

180°弯道水槽表面流速分布研究

自然界中河流多是弯曲的,弯道水流结构分析是水力学及河流动力学最重要的课题之一,对河道管理和河流开发利用也有着重要意义。基于粒子跟踪测速(particle track velocimetry,PTV)技术对180°弯道水槽不同流量下的水流表面流速进行测量与分析。试验结果表明:除进口断面,凹岸侧表面纵向流速均大于凸岸侧表面纵向流速,中心线上的表面纵向流速沿程变化相对较小;水流进入弯道后,凸岸的水流开始向凹岸方向运动从而产生横向流速,当水流流过弯顶后,由凸岸向凹岸的横向运动逐渐消失。对比两个流量的流速分布结果,较小流量下表面水流的“顶冲点”发生在弯顶前,较大流量下表面水流的“顶冲点”发生在弯顶后,较小流量下的凸岸侧水流更容易向凹岸方向运动。