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粒子图像测速（PIV）技术在水槽波浪中的研究

作　者: 龙晓警
导　师: 白志刚
学　校: 天津大学
专　业: 港口、海岸及近海工程
关键词: PIV 互相关 MATLAB 规则波卷破波
分类号: O353.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 181次
引　用: 3次
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内容摘要

粒子图像测速(Particle Image Velocietry,PIV)技术采用高速CCD相机和激光技术进行非接触形式流场测量,通过对所采集的流场图像加以互相关分析以获取流场信息。与传统的测试技术相比,PIV技术避免了测量中测试仪器对流场的干扰,并且克服了以前只能单点测量的缺点,可以获得整个测试流场的瞬时速度场,而且具有较高的精度。随着计算机与图像处理技术的发展,PIV技术取得了长足的进步,逐渐由二维平面发展到三维空间,成为流场测量中的重要手段之一。本文首先介绍了PIV技术在国内外的发展情况及几个重要的分支,阐述了PIV技术的计算原理、相关理论原理以及系统组成和图像的预处理。其次根据互相关理论发展了一套基于MATLAB与Fortran语言的PIV处理系统程序,实现了操作界面的可视化。为了研究波浪传播演变过程及其在破碎过程中的瞬时流场变化情况,在实验室水槽中进行了详细的波浪实验。首先利用PIV系统程序对规则波从波谷到波峰的传输过程进行了流场计算,给出了波浪的速度方向由后转前的变化过程,并将垂直断面上的速度值与理论值进行对比,取得了较好的匹配性。在此基础上,采用有机玻璃板在水槽中搭建了坡度为1:10的斜坡,对斜坡上卷破波的破碎过程进行了测量计算,为了减小破碎区水自由表面对激光的强散射作用,实验中采用了在水槽底部放置反光镜反射激光以照亮流场的方式。通过对破碎过程进行分析可知,卷破波破碎过程内部流场复杂多变,湍流涡动变化明显,在波浪爬坡过程中,速度逐渐增加,达到破碎状态时水表面速度最大,水舌卷破跌入水中时,涡动和湍流动能变化明显。自由表面上速度值由斜坡前的0.38 m/s增加到了破碎时的1.6m/s,在卷破与二次破碎后流速减少了将近一半。波浪破碎的过程中有明显的涡动与能量损失。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章绪论  7-13
  1.1 研究背景  7-8
  1.2 粒子图像测速（PIV）技术在国内外的研究发展情况  8-10
  1.3 PIV 技术的几种类型  10-11
  1.4 本文的主要研究内容  11-13
第二章 PIV 技术原理及计算方法  13-21
  2.1 PIV 技术原理及系统组成  13-16
    2.1.1 PIV 技术原理  13-14
    2.1.2 PIV 系统组成  14-16
  2.2 相关分析理论  16-21
    2.2.1 一维相关函数  16-17
    2.2.2 二维相关函数  17-18
    2.2.3 互相关分析在PIV 技术中的应用  18-21
第三章图像处理  21-34
  3.1 图像复原  21-22
  3.2 图像增强  22-30
    3.2.1 灰度变换  22-27
    3.2.2 平滑滤波  27-30
  3.3 小波除噪  30-34
    3.3.1 小波变换理论  30-31
    3.3.2 常用小波函数及降噪过程  31-34
第四章处理程序系统设计  34-41
  4.1 程序设计  34-38
    4.1.1 程序的算法  34-35
    4.1.2 查询窗口的设定  35
    4.1.3 程序的界面及分析的实现  35-38
  4.2 程序应用实例  38-41
第五章粒子图像测速技术在水槽波浪中的应用  41-58
  5.1 波浪破碎类型  41-42
  5.2 实验参数  42-43
    5.2.1 微幅波速度场  42-43
    5.2.2 涡量  43
    5.2.3 湍流动能  43
  5.3 实验设备  43-44
  5.4 规则波的测量  44-50
    5.4.1 规则波矢量场的计算  44-48
    5.4.2 计算结果精度分析  48-50
  5.5 卷破波破碎过程的分析  50-58
    5.5.1 实验数据分析  50-58
第六章结论与展望  58-60
  6.1 结论  58
  6.2 展望  58-60
参考文献  60-64
发表论文及参加科研情况说明  64-65
致谢  65

粒子图像测速（PIV）技术在水槽波浪中的研究

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