利用PIV技术测量鱼体尾迹涡场的装置及其绘制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了利用PIV技术测量鱼体尾迹涡场的装置及其绘制方法，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，所述轨道上放置有实验玻璃缸，所述实验玻璃缸内部放置有用于示踪的空心玻璃珠粒子，在实验玻璃缸的侧边放置有三角架，所述三脚架的顶部安装有高速摄像机，所述实验玻璃缸的两侧的轨道上分别安装有第一小型轨道移动器和第二小型轨道移动器，所述第一小型轨道移动器上安装有第一双脉冲激光发生器，所述第二小型轨道移动器上安装有第二双脉冲激光发生器；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。

A device for measuring the wake of fish wake with PIV technique and its drawing method

The invention discloses a device using PIV technology to measure the fish body vortex field and its drawing method, which includes real time measurement system of flow field, the flow field of real time measurement system including the track, the experimental glass cylinder for placing the track, the experimental glass cylinder placed for trace of hollow glass bead particles, a triangle the glass frame is positioned on the side of the cylinder, the top of the three foot high speed camera is installed, the first mobile device and second small rail track small mobile devices are installed on both sides of the experimental glass cylinder on the track, the mobile first small orbiter is installed on the first double pulse laser generator, the the mobile second small orbiter is equipped with second double pulse laser generator; the real-time measurement system is connected through the signal line and the data storage and processing system, the data The storage and processing system is connected to a video converter, and the captured video information is converted into a high definition picture in real time.

【技术实现步骤摘要】
利用PIV技术测量鱼体尾迹涡场的装置及其绘制方法
本专利技术属于PIV
，具体涉及利用PIV技术测量鱼体尾迹涡场的装置及其绘制方法，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。
技术介绍
PIV(PrticleImageVelocimetry)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，本专利技术提出一种基于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。
技术实现思路
本专利技术主要提供一种利用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，本专利技术提出以下技术方案：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)，所述三脚架(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dImaxHD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°。任意一项利用PIV技术测量鱼体尾迹涡场装置的操作方法，它包括以下步骤：步骤一，将双脉冲激光发生器(1、6)分别与小型轨道移动器(2、7)组合，小型轨道移动器(2、7)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，双脉冲激光发生器(1、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(1、6)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，将三角架(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。利用PIV技术测量鱼体尾迹涡场的计算方法，它包括以下步骤：步骤一，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；步骤二，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；步骤三，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，Ωx，Ωy，Ωz表示分别代表x，y，z轴上的涡量；步骤四，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：式中：步骤五，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：式中：步骤六，将涡流区分割为多个微圆，以此推出整个区域涡强。采用鱼体尾迹涡场计算方法对试验结果的鱼体尾迹涡场进行绘制的画法，包括以下步骤：步骤一，在鱼体摆动产生的涡流中，提取涡流中的一部分圆柱体；步骤二，将截取的圆柱体分割为多个圆；步骤三，在圆上任取一粒子，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，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；步骤四，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。鱼体尾迹涡场的画法，所述步骤四的具体方法为，根据涡流单位面积内强度的大小排列，并按照强度大的在强度小的区域内部的原则，就能够描绘出涡流形状大小，强度大的位置粒子越多、涡线越密集。本专利技术有如下有益效果：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专利技术作进一步说明。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专利技术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，所述三脚架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dImaxHD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本文档来自技高网...

【技术保护点】
利用PIV技术测量鱼体尾迹涡场的装置，其特征在于：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)，所述三脚架(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。

【技术特征摘要】
1.利用PIV技术测量鱼体尾迹涡场的装置，其特征在于：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)，所述三脚架(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。2.根据权利要求1所述的利用PIV技术测量鱼体尾迹涡场的装置，其特征在于：所述高速摄像机(5)采用dImaxHD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。3.根据权利要求1或2所述的利用PIV技术测量鱼体尾迹涡场的装置，其特征在于：所述高速摄像机(5)像素为1920×1420，频帧为1107FPS，快门时间为0.9ms。4.根据权利要求2所述的利用PIV技术测量鱼体尾迹涡场的装置，其特征在于：所述高速摄像机(5)的视角范围为45°。5.根据权利要求2所述的利用PIV技术测量鱼体尾迹涡场的装置，其特征在于：所述高速摄像机(5)的视角范围为90°。6.权利要求1-5任意一项利用PIV技术测量鱼体尾迹涡场装置的操作方法，其特征在于，它包括以下步骤：步骤一，将双脉冲激光发生器(1、6)分别与小型轨道移动器(2、7)组合，小型轨道移动器(2、7)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，双脉冲激光发生器(1、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(1、6)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...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡晓，张永年，余英俊，洪亮，陶林，石小涛，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42