一种测量两个相互作用的重力流体积的方法技术

本发明专利技术公开了一种测量两个相互作用的重力流体积的方法，可应用于近海工程流体力学实验领域。本发明专利技术针对现有羽流凸起体积测量方法的不足，提出一种测量两个相互作用的重力流体积的方法。该方法包括确定组合双羽流系统的深度场并区分这两个羽流，计算淡水源附近凸起的体积。本发明专利技术方法给出了凸起体积的计算方法，对实验室羽流实验凸起体积增长率的计算意义重大，对实验室羽流实验和真实羽流的理解都有很重要的意义。本发明专利技术方法经验证无论是在深度测量还是在凸起体积计算中的平均误差都在可以接受的范围内，可操作性明显，可靠性强。

【技术实现步骤摘要】
一种测量两个相互作用的重力流体积的方法
本专利技术涉及近海工程流体力学实验领域，具体涉及一种测量两个相互作用的重力流体积的方法。
技术介绍
河口羽流(RiverPlume)是河流淡水流出河口后在近岸区域形成的盐度较低的水体，并发育特有的近岸流场。它一般会在河口附近形成一个向海突出的凸出体(bulge),在其下游(相对于开尔文波的传播方向)形成沿岸流。河口羽流对近海的流场，营养盐、污染物及泥沙自陆向海的输运等都起着关键的作用，因而也成为近几十年来的研究热点。河口生态系统是海洋生态系统的重要组成部分，其生产力高，资源丰富，为水生生物提供了生存的场所，并且深刻地影响着近岸区域的人类活动。比如在凸起的体积较大的情况下，不论是污染物还是营养物质都会在凸起累积，对凸起这一区域的生态环境产生剧烈的影响。同时也会导致下游沿岸流的流量减少，输送到下游的污染物质也就变少了，对下游人类活动会带来有益的影响。再比如在干旱的年份，由于淡水流量的下降带来近海羽流的减少，那么以河口作为生长场所的生物种类会明显下降，也会改变当地鱼类的生态环境，进一步改变其组成与结构。许多先进的技术已被应用于测量羽流中的速度场和浓度场。最近的方法结合了粒子图像测速(PIV)和平面激光诱导荧光法(PLIF)同时测量二维速度和浓度场。但是，PIV和PLIF都不是理想的测量凸起增长率的方法，因为它们都只能解决羽流的某个单一平面而并非整个羽流。扫描LIF方法可以提供依赖于时间和空间的羽流浓度场。这种三维浓度场可用于测凸起体积增长率，但同时也引入了显著的实验复杂性。所以这些方法都有其局限性的存在，鲜有一种可以研究计算淡水源附近凸起的体积增长率的方法。
技术实现思路
本专利技术克服了现有技术中的不足，提供了一种测量两个相互作用的重力流体积的方法。该技术通常可用于区分具有多种来源的实验中的水团，并可用于模拟两个相邻沿海羽流的动力学。成功用于确定组合双羽流系统的深度场并区分这两个羽流。并可以计算出淡水源附近凸起的体积增长以及沿岸流中远离源的浮力流体的输送速率。可以提高对羽流结构和其动力学分析的可靠性、准确性和科学性。为达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种测量两个相互作用的重力流体积的方法，该方法包括如下步骤：(1)在环形旋转槽中装满盐水，完全钢化后引入两种不同颜色流体，使用彩色摄像机分别测量两种不同颜色流体的R、G和B色带的光强度；(2)基于步骤(1)彩色摄像机测量得到的R，G和B值，通过对每个像素的R，G和B值进行平均来计算强度，并通过每个像素的R，G和B值与色彩比率的关系公式计算色彩比率。将由此得到的强度-厚度关系和色彩比率-厚度关系结合，以开发出二维校准图，然后，通过对二维校准图定义的参数空间中内插来确定厚度场；(3)根据步骤(2)获得的厚度场，计算漂浮层中的淡水体积；(4)假设混合区域上游和下游淡水流的百分比随着色彩比例线性变化，基于步骤(2)获得的厚度场结合百分比分别计算混合区域上游和下游淡水流的有效厚度；(5)假设凸起具有线性沿岸增长率并相应地调整图像访问的视野，基于步骤(2)得到的厚度场及步骤(4)得到的混合区域的上游和下游淡水流各自的有效深度计算上游和下游的凸起体积。进一步的，所述步骤(1)具体如下：在环形旋转槽中装满盐水，完全钢化后通过不同的扩散器分别引入两种不同颜色流体，彩色摄像机与环形旋转槽共旋转，光源布置在环形旋转槽的下方，光源照亮彩色摄像机需要的视场范围，使用彩色摄像机分别测量两种不同颜色流体的R、G和B色带的光强度。进一步的，所述步骤(2)具体如下：为了计算双层旋转重力流的厚度场，基于测量的强度-厚度关系和色彩比例-厚度关系进行二维校准；I.强度-厚度关系其中I(h,c)是通过厚度h染料浓度为c的流体的光的传播强度，I0(h,0)是通过相同厚度h的未染色水层的透射强度；a是衰减系数；I(h1,c；h2,0)是通过厚度为h1染料浓度为c的染色水层及厚度为h2未染色水层的光的传播强度，其中h1和h2分别为染色水层和未染色水层的厚度，I0(H,0)是通过相同厚度H的未染色水的透射强度，H＝h1+h2；b是当染色水层厚度趋于无穷时I/I0的渐近值；Ⅱ.色彩比率-厚度关系在双染料实验中，有必要区分不同颜色水团，强度-厚度关系取决于染料的颜色，因此，校准使用色比来定义每个点处的相对颜色含量，引入色彩比率：其中Rn，Gn和Bn分别是归一化到背景R0，G0，B0值的R，G，B值；在实验开始前求得每个像素的透射强度I0，对每次实验后得到的照片计算每个像素的传播强度I，然后计算标准化强度I/I0，再根据每次实验后得到的照片计算每个像素的色彩比率；将得到的强度-厚度关系和色彩比率-厚度关系相结合，将这两个关系中的厚度数据内插到网格上，强度为横坐标，色彩比率为纵坐标，厚度为颜色指数，以开发出二维校准图，然后，再对二维校准图定义的参数空间中进行内插得到每个像素位置的厚度场。进一步的，所述步骤(3)具体如下：通过二维校准生成的厚度场，用于计算漂浮层中的淡水体积，光学厚度法测量的有效层厚度he定义为：其中C和C0分别是羽流和源流体中的染料浓度，z是羽流的深度，Cpj是羽流中垂直平均的染料浓度，在双羽流系统中，由于he代表着每个像素位置处的淡水量，用其计算淡水体积V的公式为：其中e是每个像素的面积，xpixels表示有效层厚度对应的x轴像素位置，ypixels表示有效层厚度对应的y轴像素位置。进一步的，所述步骤(4)具体如下：两种不同颜色染料分别代表上游和下游淡水流，为了评估混合区域中每种流体的有效深度，假设它们的百分比随着色彩比例线性变化，定义色比小于t1的是源自上游，色比大于t2的是源自上游的水，以及色比夹在这两个值之间的来自下游的水的百分比会随着色比的增大线性增加，具体如下：根据它们的百分比，根据hdownstream＝he·h％downstream及hupstream＝he·(1-h％downstream)分别计算它们的有效深度。进一步的，所述步骤(5)具体如下：假设凸起具有线性沿岸增长率并相应地调整图像访问的视野，根据步骤(2)已经得到的厚度场及步骤(4)已经得到的混合区域的上游和下游淡水流各自的有效深度，对凸起区域占据的每一个像素位置的淡水量，即每一个像素对应的有效深度进行面积求和，即根据公式5可以分别计算上游和下游的凸起体积。进一步的，所述彩色摄像机采用松下PV-GS3203-CCD彩色摄像机。本专利技术的有益效果是：本专利技术的方法简单可靠，操作方便，效率高。本专利技术通过结合透射光强度的降低和上染色层的RGB色比，使用改进光学厚度方法来计算两个相互作用的水体的深度场。因此可以应用于双羽流实验以测量两个羽流各自的深度场。本专利技术的方法根据不同羽流所占的百分比会随着色彩比例线性变化评估混合区域中每种流体的有效深度，对评估混合区域中每种流体的有效深度有重要的意义。本专利技术方法给出了凸起体积的计算方法，对实验室羽流实验凸起体积增长率的计算意义重大，对实验室实验和真实羽流的理解都有很重要的意义。本专利技术方法经验证无论是在深度测量还是在凸起体积计算中的平均误差都在可以接受的范围内，可操作性明显，可靠性强。附图说明图1a为本专利技术环形旋转槽的俯视图；图1b为本专利技术环形旋转槽本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测量两个相互作用的重力流体积的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)在环形旋转槽中装满盐水，完全钢化后引入两种不同颜色流体，使用彩色摄像机分别测量两种不同颜色流体的R、G和B色带的光强度；(2)基于步骤(1)彩色摄像机测量得到的R，G和B值，通过对每个像素的R，G和B值进行平均来计算强度，并通过每个像素的R，G和B值与色彩比率的关系公式计算色彩比率。将由此得到的强度‑厚度关系和色彩比率‑厚度关系结合，以开发出二维校准图，然后，通过对二维校准图定义的参数空间中内插来确定厚度场；(3)根据步骤(2)获得的厚度场，计算漂浮层中的淡水体积；(4)假设混合区域上游和下游淡水流的百分比随着色彩比例线性变化，基于步骤(2)获得的厚度场结合百分比分别计算混合区域上游和下游淡水流的有效厚度。(5)假设凸起具有线性沿岸增长率并相应地调整图像访问的视野，基于步骤(2)得到的厚度场及步骤(4)得到的混合区域的上游和下游淡水流各自的有效深度计算上游和下游的凸起体积。

【技术特征摘要】
1.一种测量两个相互作用的重力流体积的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)在环形旋转槽中装满盐水，完全钢化后引入两种不同颜色流体，使用彩色摄像机分别测量两种不同颜色流体的R、G和B色带的光强度；(2)基于步骤(1)彩色摄像机测量得到的R，G和B值，通过对每个像素的R，G和B值进行平均来计算强度，并通过每个像素的R，G和B值与色彩比率的关系公式计算色彩比率。将由此得到的强度-厚度关系和色彩比率-厚度关系结合，以开发出二维校准图，然后，通过对二维校准图定义的参数空间中内插来确定厚度场；(3)根据步骤(2)获得的厚度场，计算漂浮层中的淡水体积；(4)假设混合区域上游和下游淡水流的百分比随着色彩比例线性变化，基于步骤(2)获得的厚度场结合百分比分别计算混合区域上游和下游淡水流的有效厚度。(5)假设凸起具有线性沿岸增长率并相应地调整图像访问的视野，基于步骤(2)得到的厚度场及步骤(4)得到的混合区域的上游和下游淡水流各自的有效深度计算上游和下游的凸起体积。2.根据权利要求1所述的一种测量两个相互作用的重力流体积的方法，其特征在于，所述步骤(1)具体如下：在环形旋转槽中装满盐水，完全钢化后通过不同的扩散器分别引入两种不同颜色流体，彩色摄像机与环形旋转槽共旋转，光源布置在环形旋转槽的下方，光源照亮彩色摄像机需要的视场范围，使用彩色摄像机分别测量两种不同颜色流体的R、G和B色带的光强度。3.根据权利要求1或2所述的一种测量两个相互作用的重力流体积的方法，其特征在于，所述步骤(2)具体如下：为了计算双层旋转重力流的厚度场，基于测量的强度-厚度关系和色彩比率-厚度关系进行二维校准；I.强度-厚度关系其中I(h,c)是通过厚度h染料浓度为c的流体的光的传播强度，I0(h,0)是通过相同厚度h的未染色水层的透射强度；a是衰减系数；I(h1,c；h2,0)是通过厚度为h1染料浓度为c的染色水层及厚度为h2未染色水层的光的传播强度，其中h1和h2分别为染色水层和未染色水层的厚度，I0(H,0)是通过相同厚度H的未染色水的透射强度，H＝h1+h2；b是当染色水层厚度趋于无穷时I/I0的渐近值；Ⅱ.色彩比率-厚度关系在双染料实验中，有必要区分不同颜色水团，强度-厚度关系取决于染料的颜色，因此，校准使用色比来定义每个点处的相对颜色含量，引入色彩比率：其中Rn，...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁野平，戴娟娟，刘金，林颖典，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33