针对柔性植物运动与水流耦合的同步测量方法及系统

本申请涉及水利和实验测量领域，尤指一种针对柔性植物运动与水流耦合的同步测量方法及系统。

背景技术：

1、在河流、湖泊和海岸区域等水环境中，植物的运动对水流的阻力、扰动和流场结构都产生重要影响。在过去一段时间内，水生植物相关的流动动力学研究，无论是实验还是数值方面，都广泛采用概化的刚性模型模拟植物。然而，大多数植物，特别是水生植物，都具有一定程度的结构柔性，这决定了水下植物在水动力强迫下会出现运动响应，例如，流动分离和旋涡脱落会引起植物摆动，这种植物运动与周围流动耦合的水动力机制是水利、海洋工程领域重要的工程问题。

2、流固耦合运动和流场的量化是研究关键过程的核心，具体来说，对于柔性植物的三维运动和水流特征进行同步测量是非常重要的。然而，由于与模拟真实植物的模型的流场和植物运动同时进行取样和量化存在很大挑战，目前，大多数研究使用的实验方案最多只能捕获单个研究对象的独立特征，即流场特征或植物运动行为，而这些方法不能揭示湍流结构和植物变形之间的瞬时耦合。

3、总结来说，传统的测量系统有以下缺点：不具备高效同步检测能力：通常将柔性结构的运动和流场的测量分开独立测量。不具备柔性结构三维检测能力：采用粒子图像测速系统或者相机识别捕捉都限制在平面运动，无法做到三维运动的捕捉。不具备平面流速测量：传统测量常见为单点的声学多普勒测速，采用平面粒子图像测速系统与运动拍摄结合的少见。因此，有必要设计一种新的测量系统，能够高精度地测量柔性植物的三维运动并且与二维平面水流进行耦合同步测量。

技术实现思路

1、本申请目的在于提供一种针对柔性植物运动与水流耦合的同步测量方法及系统，予以同时测量柔性植物运动和水流数据，并将两者进行耦合同步分析，实现对柔性植物运动与水流耦合过程的全面观测和分析。

2、为达上述目的，本申请所提供的针对柔性植物运动与水流耦合的同步测量系统，具体包含实验水槽、运动测量装置、水流测量装置、同步控制单元和分析装置；所述实验水槽用于根据解析实验需求获得的实验参数向柔性植物模型提供具有坡度的单向稳定均匀流；所述运动测量装置用于检测所述柔性植物模型在单向稳定均匀流作用下的三维运动及运动轨迹；所述水流测量装置用于捕捉所述实验水槽内预设区域的二维平面水流参数；所述同步控制单元分别与所述运动测量装置和所述水流测量装置相连，用于同步控制所述运动测量装置和所述水流测量装置的数据采集时间和频率；所述分析装置分别与所述同步控制单元、所述运动测量装置和所述水流测量装置相连，用于根据所述三维运动及运动轨迹和所述二维平面水流参数的时间相关性分析获得柔性植物运动与水流耦合特性。

3、在上述针对柔性植物运动与水流耦合的同步测量系统中，可选的，所述实验水槽包含整流器、电磁流量计、坡度调整齿轮、离心泵驱动装置和电动尾门；所述整流器设置于所述实验水槽内，用于对所述离心泵驱动装置加速的水流稳定均匀处理生成稳定均匀流；所述电磁流量计设置于所述离心泵驱动装置的出水侧，用于检测所述离心泵驱动装置加速的水流的流量；所述坡度调整齿轮设置于所述柔性植物模型的支撑台面下，用于调节所述柔性植物模型所处明渠的固定坡度；所述离心泵驱动装置设置于所述实验水槽出口水箱下游，用于为上游进口水箱提供稳定流量的水流；所述电动尾门设置于所述实验水槽末端排水侧，用于通过控制水流排出以调整所述柔性植物模型阵列布置实验段水位。

4、在上述针对柔性植物运动与水流耦合的同步测量系统中，可选的，所述实验水槽还包含水位探针，所述水位探针用于检测所述柔性植物模型所处的水位深度。

5、在上述针对柔性植物运动与水流耦合的同步测量系统中，可选的，所述运动测量装置包含定位架和至少两组拍摄模块；所述定位架活动安设于所述实验水槽的侧部和顶部；两组所述拍摄模块通过所述定位架固定，用于分别采集柔性植物模型的流向和垂向运动与流向和展向运动，根据所述流向和垂向运动与所述流向和展向运动通过校正获得所述柔性植物模型在单向稳定均匀流作用下的三维运动及运动轨迹。

6、在上述针对柔性植物运动与水流耦合的同步测量系统中，可选的，所述水流测量装置为piv粒子图像测速系统，所述piv粒子图像测速系统包含ccd高速相机和激光光源发射器；所述激光光源发射器通过所述定位架固定，用于提供激光光源；所述ccd高速相机安设于支撑所述实验水槽的结构桁架上，用于根据所述激光光源采集二维平面水流参数。

7、在上述针对柔性植物运动与水流耦合的同步测量系统中，可选的，所述分析装置包含降噪模块、轨迹提取模块、流场数据提取模块和处理模块；所述降噪模块用于对接收到的球体三维运动视频数据及流场数据进行校正、降噪、滤波和前处理；所述轨迹提取模块用于根据球体视频数据逐帧裁获得图像数据，通过圆形霍夫变换累加器阵列变换于所述图像数据中定位获得球体数据，根据所述球体数据获得各时间点的球体轨迹；所述流场数据提取模块用于根据所述二维平面水流参数获得各时间的流场数据；所述处理模块用于根据所述球体轨迹和所述流场数据的时间相关性分析获得柔性植物运动与水流耦合特性。

8、在上述针对柔性植物运动与水流耦合的同步测量系统中，可选的，所述轨迹提取模块还包含调整单元，所述调整单元与所述轨迹提取模块相连，用于将所述球体轨迹与预设阈值比较，根据比较结果调整所述圆形霍夫变换累加器阵列的灵敏度，以及，对所述图像数据进行图像扩张。

9、本申请还提供一种适用于所述的针对柔性植物运动与水流耦合的同步测量系统的测量方法，所述方法包含：根据接收到的实验需求解析获得实验参数，根据所述实验参数向柔性植物模型提供具有坡度的单向稳定均匀流；通过所述实验参数触发同步控制采集所述柔性植物模型在单向稳定均匀流作用下的三维运动及运动轨迹，以及，实验水槽内预设区域的二维平面水流参数；根据所述三维运动及运动轨迹和所述二维平面水流参数的时间相关性分析获得柔性植物运动与水流耦合特性。

10、本申请还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法。

11、本申请还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述方法的计算机程序。

12、本申请还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。

13、本申请的有益技术效果在于：通过双相机系统对植物的三维运动进行测量与计算，提供全面的运动数据。将实验水槽、单反相机拍摄系统和piv粒子图像测速系统等多种测量手段有机结合，形成了一体化的同步测量系统，尤其是可以同时测量柔性植物运动和水流数据，并将两者进行耦合同步分析，实现对柔性植物运动与水流耦合过程的全面观测和分析。可广泛应用于环境科学、水资源管理、水利工程、生态学等领域，有助于深入了解柔性植物与水流之间的复杂关系，为相应领域的研究提供有力支持。

技术特征：

1.一种针对柔性植物运动与水流耦合的同步测量系统，其特征在于，所述系统包含实验水槽、运动测量装置、水流测量装置、同步控制单元和分析装置；

2.根据权利要求1所述的针对柔性植物运动与水流耦合的同步测量系统，其特征在于，所述实验水槽包含水槽、整流器、电磁流量计、坡度调整齿轮、离心泵驱动装置和电动尾门；

3.根据权利要求2所述的针对柔性植物运动与水流耦合的同步测量系统，其特征在于，所述实验水槽还包含水位探针，所述水位探针用于检测所述柔性植物模型所处的水位深度。

4.根据权利要求1所述的针对柔性植物运动与水流耦合的同步测量系统，其特征在于，所述运动测量装置包含定位架和至少两组拍摄模块；

5.根据权利要求4所述的针对柔性植物运动与水流耦合的同步测量系统，其特征在于，所述水流测量装置为piv粒子图像测速系统，所述piv粒子图像测速系统包含ccd高速相机和激光光源发射器；

6.根据权利要求1所述的针对柔性植物运动与水流耦合的同步测量系统，其特征在于，所述分析装置包含降噪模块、轨迹提取模块、流场数据提取模块和处理模块；

7.根据权利要求6所述的针对柔性植物运动与水流耦合的同步测量系统，其特征在于，所述轨迹提取模块还包含调整单元，所述调整单元与所述轨迹提取模块相连，用于将所述球体轨迹与预设阈值比较，根据比较结果调整所述圆形霍夫变换累加器阵列的灵敏度，以及，对所述图像数据进行图像扩张。

8.一种适用于权利要求1至7中任一项所述的针对柔性植物运动与水流耦合的同步测量系统的测量方法，其特征在于，所述方法包含：

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求8所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有由计算机执行权利要求8所述方法的计算机程序。

11.一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，其特征在于，该计算机程序/指令被处理器执行时实现权利要求8所述方法的步骤。

技术总结
一种针对柔性植物运动与水流耦合的同步测量方法及系统，所述系统包含实验水槽、运动测量装置、水流测量装置、同步控制单元和分析装置；实验水槽用于根据解析实验需求获得的实验参数向柔性植物模型提供具有坡度的单向稳定均匀流；运动测量装置用于检测柔性植物模型在单向稳定均匀流作用下的三维运动及运动轨迹；水流测量装置用于捕捉实验水槽内预设区域的二维平面水流参数；同步控制单元分别与运动测量装置和水流测量装置相连，用于同步控制运动测量装置和水流测量装置的数据采集时间；分析装置用于根据三维运动及运动轨迹和二维平面水流参数的时间相关性分析获得柔性植物运动与水流耦合特性。

技术研发人员：何国建,付家豪,王健宇,黄磊,方红卫
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15