利用PIV技术测量鱼体尾迹涡场的装置的制作方法

本实用新型属于PIV技术领域，具体涉及利用PIV技术测量鱼体尾迹涡场的装置，主要是对鱼体尾部流场及附近区域粒子速度场的实时测量。

背景技术：

PIV(Prticle Image Velocimetry)技术利用粒子在激光下的成像，测量粒子在三维空间内(瞬态时)内的流动从而得到粒子的流速分布。目前，PIV技术在水生生物方面的应用较广，但是由于研究问题的客观性和特殊性，该技术目前存在的问题主要表现在；(1)不能实现鱼体摆动情况下的瞬态流场测量；(2)难以精确推算出鱼体摆动情况下清流场的涡量和具体分布。基于上述原因，本实用新型提出一种基于PIV技术的鱼体尾部涡量场的测量装置，根据PIV技术对于粒子的高散射率要求，该装置所选用粒子是足够小的均匀的示踪粒子，示踪粒子的材质选用随水性较好的空心玻璃微珠(粒径10μm，密度1.02g/cm-3)，保证了高质量的成像效果。

技术实现要素：

本实用新型主要提供一种利用PIV技术测量鱼体尾部涡流的装置及其绘制方法，本装置较好解决了PIV技术在三维状态下对众多粒子准确测量的问题，能够准确捕捉到三维状态下示踪粒子的流动状态，节省了设备投资，解决了操作繁琐的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型提出以下技术方案：利用PIV技术测量鱼体尾迹涡场的装置，它包括流场实时测定系统，所述流场实时测定系统包括轨道(8)，所述轨道(8)上放置有实验玻璃缸(3)，所述实验玻璃缸(3)内部放置有用于示踪的空心玻璃珠粒子(9)，在实验玻璃缸(3)的侧边放置有三角架(4)，所述三角架(4)的顶部安装有高速摄像机(5)，所述实验玻璃缸(3) 的两侧的轨道(8)上分别安装有第一小型轨道移动器(2)和第二小型轨道移动器(7)，所述第一小型轨道移动器(2)上安装有第一双脉冲激光发生器(1)，所述第二小型轨道移动器(7)上安装有第二双脉冲激光发生器(6)；所述实时测定系统通过信号线与数据存储及处理系统相连，所述数据存储及处理系统与视频转换器相连，将捕捉到的视频信息实时转换为高清图片。

所述高速摄像机(5)采用dImax HD型摄像机，其像素在100万到300万之间可以转换；视角范围可以在0-90°范围内转换；

所述高速摄像机(5)像素为1920×1420，频帧为1107FPS，快门时间为0.9ms。

所述高速摄像机(5)的视角范围为45°

所述高速摄像机(5)的视角范围为90°。

本实用新型有如下有益效果：

本装置较好解决了PIV技术在三维状态下对众多粒子准确测量的问题，能够准确捕捉到三维状态下示踪粒子的流动状态，节省了设备投资，解决了操作繁琐的问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1是高速摄像机偏45°角拍摄系统示意图。

图2是45°时三维涡线组成示意图。

图3是45°时涡流区域截取圆柱状粒子轨迹示意图和涡线示意图。

图4是45°时鱼身摆尾前后横向剖面示意图。

图5是45°时流体涡流时速度矢量图。

图6是45°时流体涡流状态下的涡场分析图。

图7是高速摄像机偏90°角拍摄系统示意图。

图8是90°时流体涡流时速度矢量图。

图9是90°时流体涡流状态下的涡场分析图。

图10是高速摄像机偏30°角拍摄系统示意图。

图11是30°时流体涡流时速度矢量图。

图12是30°时流体涡流状态下的涡场分析图。

图中：第一双脉冲激光发生器1、第一小型轨道移动器2、实验玻璃缸3、三角架4、高速摄像机5、第二双脉冲激光发生器6、第二小型轨道移动器7、轨道8、空心玻璃珠粒子9。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

如图1，利用PIV技术测量鱼体尾迹涡场的装置，它包括流场实时测定系统，所述流场实时测定系统包括轨道8，所述轨道8上放置有实验玻璃缸3，所述实验玻璃缸3内部放置有用于示踪的空心玻璃珠粒子9，在实验玻璃缸3的侧边放置有三角架4，所述三角架4的顶部安装有高速摄像机5，所述实验玻璃缸3的两侧的轨道8上分别安装有第一小型轨道移动器2和第二小型轨道移动器7，所述第一小型轨道移动器2上安装有第一双脉冲激光发生器1，所述第二小型轨道移动器7上安装有第二双脉冲激光发生器6；所述实时测定系统通过信号线与数据存储及处理系统相连，所述数据存储及处理系统与视频转换器相连，将捕捉到的视频信息实时转换为高清图片。

进一步的，所述高速摄像机5采用dImax HD型摄像机，其像素在100万到 300万之间可以转换；视角范围可以在0-90°范围内转换。

进一步的，所述高速摄像机5像素为1920×1420，频帧为1107FPS，快门时间为0.9ms。

进一步的，所述高速摄像机5的视角范围为45°

进一步的，所述高速摄像机5的视角范围为90°。

实施例2：

利用PIV技术测量鱼体尾迹涡场的装置，包括以下步骤：

步骤一，第一双脉冲激光发生器1和第二双脉冲激光发生器6分别与第一小型轨道移动器2和第二小型轨道移动器7组合，小型轨道移动器与轨道8连接，形成可移动式激光照射；

步骤二，在实验玻璃缸3底部、四周玻璃壁上铺设防水坐标网格；

步骤三，第一双脉冲激光发生器1和第二双脉冲激光发生器6横向垂直于实验玻璃缸3，进行双向激光照射，调整双脉冲激光发生器与实验玻璃缸3的距离；

步骤四，在实验玻璃缸3放入水和鱼，待水面平稳后将空心玻璃珠粒子9 放入实验玻璃缸3中；

步骤五，三角架4和高速摄像机5组合，将高度调好后以一定角度对实验玻璃缸3内鱼体尾部的空心玻璃珠粒子9进行拍摄；

步骤六，将高速摄像机5捕捉到的视频信息实时传输到数据分析系统中，再通过视频装换器将其转换为高清图片。

实施例3：

利用PIV技术测量鱼体尾迹涡场的计算方法，包括以下步骤：

1)用两张视场互相重叠的影像，以一粒子为例，建立相邻两张(n，n+1) 的关系图；

2)设定此粒子的坐标为(x，y，z)，求出n时刻和n+1时刻该粒子在距离上关系，以及在时间上的联系，时间上的位移可列；

{(x_末，y_末，z_末)是代表n+2时刻的坐标)}最后分析出粒子在该间隔内的速度，以此类推涡流区域内的所有粒子，得出速度矢量。

3)由2)中得出的速度矢量，结合速度与涡量的关系可以求出三维涡通量，如下；

(式中u，v，w分别代表x，y，z轴上的速度，Ω_x，Ω_y，Ω_z表示分别代表x， y，z轴上的涡量)。

4)由三维的速度和涡量的关系求，有关速度的涡通量，列涡线方程；

5)计算涡流强度，提取涡流中任一微元体(微圆面积设为A＝Ax，Ay，Az)，对微圆进行积分

6)将涡流区分割为多个微圆，以此推出整个区域涡强。

实施例4：

利用PIV技术对鱼体尾迹涡场的画法，包括以下步骤：

1)在鱼体摆动产生的涡流中，提取涡流中的一部分，以圆柱状为例(如图3)。

2)将截取的圆柱体分割为多个圆(如图2)。

3)在圆上任取一粒子(以圆的边界一粒子为例)，求出该粒子在n到n+j时刻内经过每个二维圆上的坐标，再将这些二维坐标进行连接，即可得到单个粒子的涡线(如图2)，以此类推将圆中(包括边界上)每个粒子以此方法进行，则可得到每个粒子的涡线，对涡线做切线，可以得到速度的矢量，这样就可以表示出粒子的流动情况。

4)求出涡量的强度，根据强度大小对涡线的密集程度进行分布，从而找出涡核区域。方法如下：根据涡流单位面积内强度的大小排列(强度大的在强度小的区域内部的原则)可以描绘出涡流形状大小，强度大的位置粒子越多、涡线越密集。

实施例5：

利用PIV技术测量鱼体尾迹涡场的计算方法的比较：

如图1-12，摄像机90°、45°、30°视角分析。

取三个角度进行对比分析，首先取90°垂直XOY平面拍摄为例，根据图片建立此时的拉格朗日坐标，根据拉格朗日坐标可以得出速度的三维分量，而相对于图无法得到vz，同样无法得到z轴方向上的瞬时变量，如果测量vz还需另设一台摄相机，垂直于Z轴拍摄，但这样既增加了费用，且较难将两个摄像机拍摄视频耦合，增加了难度，但90°是二维的一个很好示例。

原理上0°-90°之间任意角度都可测量出三维结果，30°和45°在计算原理上是一样的，唯一区别是；30°初始计算比45°多。

通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改都在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的未尽事宜，属于本领域技术人员的公知常识。