基于粒子图像分割的混合PIV-PTV算法

粒子图像测速法(particle image velocimetry,PIV)因其非接触场测量的特性,已成为空气动力学领域的主要测量工具。复杂流动的速度场往往具有非均匀性,示踪粒子难以在待测空间均匀分布。因此,在应用PIV互相关算法处理粒子稀疏区时,需要采用更大的查询窗口以降低测量的不确定度,但会带来空间分辨率低的实际问题。而粒子追踪测速法(particle tracking velocimetry,PTV)追踪单个示踪粒子的跨帧位移,具有比PIV更高的空间分辨率,但难以适用于粒子浓度高的稠密区。针对PIV、PTV各自的优点,本文发展了一种基于粒子图像分割的混合PIV-PTV测速技术。首先定义了基于维诺多边形的粒子局部浓度量度,用以计算示踪粒子在粒子图像上的局部浓度场;其次通过设定的浓度阈值对粒子进行二分类,使用基于高斯核函数的支持向量机寻找出最优的分类边界,从而实现对粒子图像的粒子稀疏区和稠密区的划分;最后对两个区域分别使用PIV和PTV进行速度场计算,并合并为完整的速度场输出。仿真结果表明,上述方法可实现对粒子图像中的示踪粒子稀疏区和稠密区的自动划分,有效提高速度场测量的空间分辨率。将该方法应用在马赫数Ma=6的湍流边界层近壁测量中,可有效解决高速条件下粒子因强剪切难以进入边界层近壁区的问题,显著提高对近壁流动的解析能力。

基于PIV技术的离心泵内流特性研究

采用PIV技术对无蜗壳五叶片叶轮进行不同流量下的实验,研究叶轮流道内部涡结构分布随着流量变化的发展趋势及叶轮流道内部局部欧拉扬程的分布特性,获得了流道内部能量分布特性,并对叶轮流道内部流场与局部欧拉扬程分布进行关联分析。结果显示,叶轮内部流场受流量变化影响非常大,随着流量的减小,不同流道内会先后在吸力面和压力面出现涡结构;叶轮内部局部欧拉扬程分布大体趋势基本一致;叶轮流道内部涡结构通过改变叶轮内部绝对液流角,进而影响局部欧拉扬程分布。

基于Tomo-PIV技术的螺旋桨三维强旋转流动的实验研究

流体机械以及水力发电过程中的流动通常是具有强旋流的三维空间流动,此类流动的实验测量具有较大的难度。本文以水下伺服电机搭载三叶螺旋桨产生强的三维强旋转流动为例,采用四台CMOS摄像机同步对流场进行拍摄,并利用搭载了目前国际上最先进的层析粒子图像测速技术(Tomo-PIV)算法的德国LaVision公司的软件Davis 10.2.0对拍摄得到的图像进行空间重构,得到瞬时的三维空间速度场。基于得到的速度场,对螺旋桨三维强旋流结构的瞬时特性和时均特性进行了深入分析,并从速度、涡量和压力的变化上阐述了流场结构变化特点,证明了Tomo-PIV技术具有很高的测量精度和实际应用意义,在流体机械流场测量和水力发电领域三维空间流场的精细测量有广阔的应用前景。

面向教学实验的轻型无监督PIV算法

粒子图像测速(PIV)是一种无接触的流体速度测量技术。传统的PIV算法有互相关分析法和光流法。随着人工智能技术的发展,有学者提出了基于神经网络的PIV算法。但其巨大的运算量在没有运算级GPU参与的情况下难以完成,且难以推广到大范围的教学实验。针对教学实验的特点,设计了一种轻型的,基于无监督深度学习的PIV算法。该算法能获得稠密的速度矢量场,具有亚像素精度,且能在PC机上进行训练和预测。

基于高速摄像与PIV技术的喷丸丸粒运动特征研究

喷丸作为一种重要的金属表面机械处理工艺,其加工质量与固体丸粒在高速气流作用下的运动规律密切相关。探究一种精确可行的喷丸丸粒速度测量方法,明确喷丸丸粒流的空间散射特征和速度场分布特征,对于优化喷丸工艺参数至关重要。基于高速摄像机,搭建了喷丸丸粒运动高速图像数据采集系统,捕捉喷丸中丸粒的瞬时空间位置变化特征。采用Photoshop图像处理软件对采集的照片进行预处理,获得具有高对比度的丸粒流黑白二值化图片。使用开源的粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)软件PIVLab对丸粒流图像进行数据处理,获得喷丸丸粒流的速度场结果。结果表明,在喷气压力为0.4 MPa,采用0.4 mm铸钢丸粒条件下,丸粒流的散射锥体倾角为10°,丸粒最大运动速度约为46.5 m/s。在不同的空间截面上,丸粒运动速度呈现高斯分布特征,且其标准差随丸粒与喷嘴之间的距离增大而增大。丸粒在离开喷嘴后速度迅速增长至稳定值,速度变化符合Logistic函数特征。与经验公式相比,所得到的丸粒速度场分布公式更加准确,且能体现丸粒的空间分布特征。

含淹没柔性水生植被群的弯道水流特性PIV试验研究

为了研究淹没柔性水生植被对弯道水流的影响,采用水槽试验的方法,在U形弯道水槽凸岸的25°和45°附近布置相同种类的塑料草模型植被群,设置植被密度分别为密集和稀疏2种工况,采用自动水位测量系统和粒子图像测速仪(PIV)等仪器分别测量了在不同工况下植被附近及U形弯道水槽内水流的流速和水位,研究不同密度(株数/m^(2))的柔性水生植被对水流运动规律的影响。同时,利用测量结果对水位变化、水流流速分布、横比降变化、水头损失、水力坡降等规律进行分析。试验结果表明,弯道凸岸的水流在不同植被密度下各个断面(25°、45°、60°、90°、120°、150°、180°)的流速大小变化均呈先下降后趋于平稳的趋势;凹岸的水流在不同植被密度下各个断面的流速大小变化情况差异较大,在60°断面密集植被的流速小于稀疏植被的流速,同时在150°断面大幅度上升后再下降并在弯道出口处大于稀疏植被的流速;植被群增大水头损失和水力坡降,其中密集植被群影响最大。

基于PIV技术的高速空腔流动演化特性研究

空腔结构在高速来流条件下会产生复杂流动和高强度噪声,严重影响飞行器的气动特性和结构安全。采用粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术和动态压力测量相结合的方法,对长深比为3~10的空腔在来流马赫数0.4~0.8状态下的流动噪声特性开展试验研究,着重分析了空腔长深比和来流马赫数对腔内流场结构的影响,揭示了空腔噪声强度与腔内流动的关联性。结果表明:随着长深比增大,腔内剪切层厚度迅速增长并向腔内扩张,与空腔的撞击位置由后壁下移至底面,腔内流体由开式流动向闭式流动转变;来流马赫数的增大会抑制剪切层向腔内发展,诱导主回流旋涡后移,使得流体趋于开式流动;腔内后壁总声压级的幅值与流体撞击后壁时的流向速度正相关。

基于高频PIV的风力机叶尖涡初始涡量值演变规律研究

基于风向变化对于叶尖涡初始涡量值影响的敏感性至今仍不清楚,及偏航工况下其随来流风速和叶片转速变化的演变规律仍未被掌握的研究背景,以直径为1.4 m的小型水平轴风力机叶片为研究对象,利用高频PIV针对性地监测不同工况条件下叶尖涡的初始涡量值,细致分析叶尖涡初始涡量值随风向、风速和叶片转速变化的演变规律。研究发现:当偏航角为0°和20°时,叶尖涡初始涡量值随叶尖速比的增大近似呈线性规律,而当偏航角介于上述区间时,变化趋势会呈明显下凹的二次曲线形式。相关理论成果的揭示对于叶片气动载荷变化机理的深入诠释以及其气动性能优化方案的掌握具有较有益的参考价值。

基于PIV试验的积雪平屋面风场特性研究

为研究屋盖积雪对低矮平屋面风场特性的干扰影响,基于风吹雪风洞试验,通过3D打印获得平屋面的3D积雪形态,并以无积雪模型作为对照,系统地开展了PIV (particle image velocimetry)风洞试验,并结合LES(large eddy simulation)方法,研究了6组平屋面建筑有无积雪时的流场分布特性.试验研究表明:当无积雪时,来流在屋面前缘处分离后能形成典型的分离泡流动,分离泡内速度场存在明显逆流现象;当有积雪时,屋面上方的逆流减弱甚至消失,积雪显著地加快了流经屋面附近流场的速度,其最大速度增量约为0.6,同时,流线分布更贴合模型壁面,速度梯度增大,也相对增大了涡量值;积雪会使得屋面上方整体的时均湍动能和切应力均减小,但对屋面迎风区域的平均和脉动风压均有增大作用,其增大比值约为15%和20%.通过该研究可进一步对低矮建筑的风雪荷载作用机理展开分析,为屋盖结构的抗风雪设计提供参考.

基于PIV技术的隧道施工引起的地层变形规律试验研究

为研究隧道施工引起的地层变形规律,设计由试验台架和非接触式图像测量系统组成的模型试验系统。利用该系统,以干砂为填料,通过电机牵引隧道使其下沉来模拟盾构掘进过程中因停滞时间过长引起的仰拱变形进而导致的隧道上方地层的沉降变形。通过对不同隧道埋深、地层损失率、土体相对密实度等工况下的地层沉降模式展开研究,得出以下结论:1)不同隧道埋深、地层损失率和土体相对密实度工况下,地层内部的破坏模式和变形规律大致相似,形状类似“漏斗”。距离隧道越远,地表沉降值越小;不同工况下的地表沉降曲线均符合高斯分布。2)地表沉降槽宽度系数与隧道半径、土体抗剪强度参数以及隧道埋深等因素相关。通过对试验结果进行量化分析得出沉降槽宽度系数的修正公式。最后,将修正后的公式与目前已有的研究结果以及工程实测数据进行对比,验证了修正公式的合理性。该公式可用于砂土地区隧道施工引起的地表沉降预测。

基于PIV/PTV的平板裂缝支撑剂输送试验研究

为了解水力压裂过程中水力裂缝内支撑剂的铺置规律,基于平板裂缝开展了支撑剂输送试验,分析了泵注排量、压裂液黏度、注入位置、支撑剂类型对支撑剂铺置过程的影响;运用PIV/PTV技术,测试了压裂液-支撑剂两相运动速度,从颗粒运动角度分析了不同因素对最终砂堤形态的影响。试验发现:平板单缝内支撑剂铺置存在“裂缝前端先堆积至平衡高度,再稳定向后端铺置”和“砂堤整体纵向增长,稳定向后端铺置”2种典型模式,2种模式可以在泵注的不同阶段出现并转换;砂堤不同位置形态主控因素存在差异,注入位置与排量主要控制前缘形态,黏度与排量主要控制中部形态,黏度主要控制后缘形态;在裂缝远端,支撑剂沉降存在“回流式”和“直接式”2种模式,前者受涡流控制,后者则仅依靠重力沉降;现场施工时可考虑“定向射孔+大排量中高黏70/140目石英砂(主体支撑剂)+40/70目陶粒架桥+大排量中高黏70/140目石英砂长距离输送+排量尾追40/70目陶粒”,兼顾缝长方向远距离铺置和近井地带裂缝与井筒的高连通性。平板裂缝内支撑剂运移与铺置规律试验结果可以为页岩储层压裂主裂缝内支撑剂高效铺置及储层改造工艺参数优化提供参考。

前混合水射流中丸粒速度的数值模拟与PIV试验研究

前混合水射流中丸粒速度是决定混合射流性能的关键因素。采用CFD-DEM双向耦合方法构建了混合射流的三相仿真模型,气液相采用VOF模型并考虑离散相体积分数的影响,丸粒固态相采用拉格朗日坐标下的离散元方法进行建模,通过专用的耦合接口实现双向耦合,得到丸粒在出口确定位置范围内速度仿真值。通过专用的PIV试验台测出相应位置丸粒的速度值。通过对比,仿真结果与测试结果的差值在6%以内,证明了仿真模型的正确性。研究结果表明,喷嘴入口压力和喷嘴出口直径越大,丸粒速度越大;混合比(丸粒体积分数)、喷嘴长度和喷嘴锥角越大,丸粒速度越小,对后续制定改性工艺方案提供了理论基础。

PIV及PSP技术在大飞机风洞试验中的综合应用

在FL-61风洞中,对高频粒子图像测速(particle image velocimetry, PIV)试验系统在真实风洞环境中的速度场测量精度进行了试验研究,结果表明在30~280 m/s范围内,PIV试验系统测量精度优于1%。以不同厚度和粗糙度的聚酰亚胺不干胶薄膜模拟模型表面PSP涂层,研究了压力敏感涂层(pressure sensitive paint, PSP)对测力测压数据的影响,结果表明将涂层厚度控制在0.03 mm以内可有效降低涂层对测力测压数据的影响。在FL-62连续式跨声速风洞中使用民机校验模型,进行了两种技术的综合应用研究,采用极短时间间隔的错时采集技术,实现了PIV技术与PSP技术的准同步综合化应用,获得了大飞机模型机翼上表面空间流动速度场及机翼表面压力分布。

基于术前PIV、NLR和CEA水平对胃癌根治术后预后列线图预测模型的构建及评价

目的:基于术前泛免疫炎症(PIV)、中性粒细胞与淋巴细胞比值(NLR)以及癌胚抗原(CEA)水平探讨胃癌根治术后预后的影响因素并建立列线图预后预测模型。方法:回顾性分析2016年03月至2019年11月在徐州医科大学附属医院普外科行胃癌根治术的384例胃癌患者的临床病理资料,采用受试者工作特征(ROC)曲线分析术前PIV、NLR、CEA水平预测总生存期(OS)的最佳截断值,并根据PIV的最佳截断值进行分组。采用χ^(2)检验分析不同PIV水平与患者临床病理特征的关系。使用Kaplan-Meier法和Log-rank检验分析不同临床病理特征对患者OS的影响,多因素Cox回归分析患者预后的独立影响因素。使用R4.1.1软件绘制胃癌根治术后患者1、3、5年OS的列线图预测模型,并评价预测模型的效能,然后使用X-tile软件根据列线图风险得分将该模型分层进一步探讨该模型的临床应用价值。结果:ROC曲线分析结果显示,PIV、NLR、CEA曲线下面积(AUC)分别为0.627、0.584、0.590,最佳截断值分别为236.8、1.98、4.93 ng/mL。PIV与年龄、肿瘤最大直径、肿瘤浸润深度、淋巴结转移、TNM分期、神经或脉管侵犯、术前NLR水平相关(P<0.05)。多因素Cox回归分析显示,年龄、肿瘤浸润深度、神经或脉管侵犯、PIV、NLR、CEA为胃癌根治术后患者1、3、5年OS的独立影响因素(P<0.05)。构建包含以上独立危险因素的列线图预测模型,模型内部验证一致性指数(C指数)分别为0.797、0.805、0.780,校正曲线提示该模型区分度良好,低风险患者的OS明显优于中、高风险组(P<0.001)。结论:PIV、NLR、CEA对于胃癌预后有较好的预测价值,基于PIV、NLR、CEA水平及胃癌相关病理资料构建的列线图模型对于临床有较高的指导意义。

基于PIV的明渠紊流压强场测量技术研究

基于粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)的压强场测量技术可实现流动内部瞬时压强的非接触式、高时空分辨率的全场测量。本文采用欧拉法根据时间解析的速度场重构压强梯度场,再采用虚拟边界全向积分法结合边界条件得到压强场,实现了基于PIV的明渠紊流压强场测量技术。为了使用基于PIV的压强场测量技术准确测量明渠紊流压强场,利用时间解析的明渠紊流直接数值模拟数据和PIV速度场对该测量技术的精度、误差来源及主要影响因素进行了分析。基于本文数据,发现该测量技术的测量结果几乎无平均偏差,但均方根误差相对较大,约为25%;通过分析由速度场重构压强梯度场及由压强梯度场积分得到压强场两个阶段的测量误差表明,压强场测量误差主要发生在由速度场重构压强梯度场这一阶段,主要受流场测量参数和边界条件给定方法的影响。进一步分析了上述主要影响因素对压强测量误差的影响规律,发现压强场测量误差随流场采样时间间隔的增加而增大,随流场测点间距的增加先减小后增大;基于本文数据得到在内尺度无量纲测点间距约为7时误差最小,但该测点间距最优值的普适性尚待更多数据支撑;在矩形测量区域边界4个角点布置压强边界点时,压强场测量误差会显著降低。将该压强场测量技术初步应用于明渠均匀紊流,发现时均压强测量结果较为准确,压强紊动强度测量结果误差相对较大,但垂向分布趋势接近。研究结论为明渠紊流压强场的试验测量提供理论依据和实践参考。

外伸肋板对高层建筑流场影响的PIV试验研究

研究表明:高层建筑表面附属物,如外伸水平和竖向肋板,能大幅降低结构风荷载。然而,此类气动优化措施的作用机理尚不清楚。针对这一问题最有效的方法是对气动优化前后的建筑周围流场进行对比分析以明确优化措施对流场的作用效果。该文通过粒子图像测速(PIV)试验研究了5种不同布置形式的外伸肋板对高层建筑周围流场的影响,通过对比不同类型外伸肋板对平均和脉动流场的影响,分析了外伸肋板的作用效果,揭示了外伸肋板气动优化的工作机理。结果表明:水平连续横板可以明显限制流场的竖向流动,降低剪切层内的湍流强度。相比水平横板,外伸竖板能更明显地修正模型周围的脉动流场。外伸竖板接近建筑角部时可以改变来流的流动分离过程,减小建筑两侧剪切层曲率,明显减弱建筑周围顺风向和横风向湍流强度。水平和竖向外伸肋板使尾涡沿顺风向和横风向尺寸明显增大。以上流场特征的变化直接影响了作用于建筑上的平均和脉动风荷载。

基于PIV的渐变地表粗糙度对坡面流水动力特性的影响

粗糙度是影响坡面流水动力特性的关键因子,为探究渐变粗糙度影响下坡面流水力特性,采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)观测并分析3组流量下渐变粗糙床面下坡面流的流速轮廓线、紊动强度、雷诺应力和壁面切应力的变化规律。结果表明:(1)流速随粗糙度增加而减小;拟合无量纲流速得到流速分布对数公式,粗糙度增大与拟合常数A成反比,与积分系数B成正比。(2)渐变地表粗糙度流向紊动强度与光滑床面坡面流变化趋势相似。流向紊动强度随相对水深的增大而减小。随着粗糙度增大,流向紊动强度大小出现非显著性差异。渐变粗糙床面下流向紊动强度符合Nezu经验公式,流量与经验系数成正比。(3)不同流量下,渐变粗糙床面的雷诺应力分布与光滑床面相似。在粗糙度影响下,雷诺应力最大值出现在y/H=0.2~0.4处。随着粗糙度逐渐增加,壁面切应力逐渐增大。综合表明,增加PIV分辨率方法可以适用于坡面流水力特性的研究。探究渐变粗糙度对坡面流的影响,探讨坡面流水动力学特性,为水土保持理论研究提供新思路。

指挥台围壳线型优化数值模拟及PIV试验研究综述

指挥台围壳作为潜艇最大的附体结构,在潜艇高速航行时会破坏潜艇周围的流场,产生强烈的湍流脉动,是影响潜艇声隐身性能的重要因素。优化指挥台围壳线型可以改善围壳部位的水动力噪声特性,达到降低噪声的目的。从指挥台围壳线型优化数值模拟方法、线型优化PIV试验测量、线型优化形式等三方面进行总结概括。通过梳理,可以为后续从事相关研究工作的学者提供一定程度的帮助。

基于PIV技术的冲刷条件下桩-土水平变形机制

桩基通常深埋地下,岩土体内桩-土水平变形难以通过现场试验观测。为研究水平荷载作用下桩-土变形机制,考虑桩身抗弯刚度、土体密实度和冲刷坑尺寸等因素,基于粒子图像测速(PIV)技术在砂土中开展了一系列单桩水平加载模型试验,获得了桩侧土体位移、应变分布发展规律,并讨论了柔性桩和刚性桩的水平桩-土相互作用模式,及局部冲刷对水平桩-土相互作用的影响。结果表明:(1)水平荷载作用下桩侧土体的位移和剪应变均是沿着水平和深度方向逐渐发展变化,因此现有桩基水平受荷分析的应变楔模型中整个应变楔内土体应变均匀发展的假定需要修正;(2)桩身水平位移第一零点以上的桩前土体被动受压区和桩后土体主动施压区是主要的桩-土相互作用区,但对于刚性短桩第一零点以下的桩-土相互作用不可忽略;(3)桩侧冲刷坑底部以上冲刷土层对降低桩-土变形仍可起到一定的作用。

明槽支流交汇区水动力特性PIV试验研究

针对低流量比条件下明槽干支流交汇支流汇入区水流结构十分复杂的问题,基于物理模型试验的方法,采用PIV粒子图像测速技术观测不同交汇条件下明槽支流时均流速及三维流速空间分布,分析支流流场的变化特征。结果表明,汇流比较小时,由于干流水体的顶托作用,支流表层水体会出现不同程度上的回流现象,底层水体顺流汇入干流,且有较为明显的斜向混合界面;随着汇流比的增大,干流对支流左岸水流结构影响逐渐减小。在交汇角为30°、90°时,靠近支流右岸的水流结构受干流水体顶托作用影响最大;在交汇角为150°时,支流基本处于回流状态,交汇口处形成最大回流流速区。研究结果可为库区支流营养盐富集导致水华频发等研究提供理论支撑。