一种基于非均匀查询窗口粒子图像测速技术的湍流边界层处理方法技术

本发明专利技术公开了一种基于非均匀查询窗口粒子图像测速技术的湍流边界层处理方法，通过减去背景图像得到预处理的PIV粒子图像，利用均匀查询窗口互相关计算出的平均速度并拟合出壁面摩擦速度，然后根据壁面摩擦速度计算出局部的无量纲平均速度，将Spalding曲线作为局部无量纲平均速度的参考值，计算出计算值与参考值的相对误差，再计算出无量纲平均速度的相对不确定度，通过设置局部查询窗口的初始尺寸，由相对误差与相对不确定度的大小关系进行迭代，形成与常规查询窗口不同的查询窗口尺寸沿壁面法向非均匀分布的布局。该方法使查询窗口尺寸与湍流流场局部特性相适应，有利于充分解析湍流边界层，从而提升了近壁面的测量精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于非均匀查询窗口粒子图像测速技术的湍流边界层处理方法
本专利技术涉及粒子图像测速
，特别是涉及一种基于非均匀查询窗口粒子图像测速技术的湍流边界层处理方法。
技术介绍
粒子图像测速技术(ParticleImageVelocimetry，PIV)近几十年来得到了不断完善与发展，其空间分辨率自引入以来备受关注，在速度梯度较大的区域，同一查询窗口内的粒子之间的速度差会不利于相关峰的形成，从而导致相关信噪比的下降，研究者们提出的图像变形技术很大程度上减轻了速度梯度的影响，使此技术成为查询算法的重要组成部分，但波动范围与询问窗口相当的区域仍然挑战速度测量的鲁棒性和空间分辨率。PIV技术以及互相关查询算法在湍流边界层的测量中也得到了广泛应用，利用空间相关性进行查询分析时，PIV研究的湍流场通常是不均匀的，大多数情况中查询参数由使用者设定，并在整个流场中均匀应用，从而出现速度梯度大的地方采样不足，速度梯度小的地方过采样的现象。这种全局统一的应用不受粒子密度或者流场特性变化的影响，在多网格分析中也是如此。通常通过两种方法改善查本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于非均匀查询窗口粒子图像测速技术的湍流边界层处理方法，包括以下步骤：/nS1：在具有平板的水槽中拍摄平板湍流边界层的粒子图像；/nS2：对所述粒子图像进行预处理，通过减去背景图像得到预处理的粒子图像；/nS3：利用连续两帧所述预处理的粒子图像计算某一法向空间位置的局部无量纲平均速度的相对不确定度；/nS4：依据上述相对不确定度，按照迭代公式确定与湍流场相适应的局部查询窗口尺寸，包括以下步骤：/nS41：将Spalding曲线作为无量纲平均速度的参考值，计算参考值与计算值的相对误差；/nS42：由四分之一原则设置初始迭代尺寸，以2pixel为迭代步长逐级递减；/nS43：由查询窗口内粒...

【技术特征摘要】
1.一种基于非均匀查询窗口粒子图像测速技术的湍流边界层处理方法，包括以下步骤：
S1：在具有平板的水槽中拍摄平板湍流边界层的粒子图像；
S2：对所述粒子图像进行预处理，通过减去背景图像得到预处理的粒子图像；
S3：利用连续两帧所述预处理的粒子图像计算某一法向空间位置的局部无量纲平均速度的相对不确定度；
S4：依据上述相对不确定度，按照迭代公式确定与湍流场相适应的局部查询窗口尺寸，包括以下步骤：
S41：将Spalding曲线作为无量纲平均速度的参考值，计算参考值与计算值的相对误差；
S42：由四分之一原则设置初始迭代尺寸，以2pixel为迭代步长逐级递减；
S43：由查询窗口内粒子个数最少原则设置最小查询窗口尺寸；
S44：当相对误差与所述无量纲平均速度的相对不确定度的关系满足迭代终止条件时终止迭代；
S45：根据设置的重叠率确定不同壁面位置的查询窗口尺寸。


2.根据权利要求1所述的湍流边界层处理方法，其特征在于：所述步骤S1包括以下步骤：
S11：在湍流充分发展的区域设置激光片光进行照明；
S12：与激光平面垂直的方向安装高速相机，调整放大比例后进行标定；
S13：在水中播撒合适浓度的示踪粒子；
S14：设置目标流速和拍摄参数，待流速稳定后使用高速相机采集平板湍流边界层的粒子图像，
优选的是，步骤S11中，所述激光片光的厚度≤1mm；步骤S13中，所述示踪粒子的粒径＜30μm，示踪粒子直径所占像素为2～3pixel，更优选的是，所述示踪粒子为直径10μm的空心玻璃微粒。


3.根据权利要求1所述的湍流边界层处理方法，其特征在于：所述步骤S2包括以下步骤：
S21：浏览所述粒子图像，确保没有出现丢帧；
S22：将所述粒子图像中每个像素位置处的最小灰度强度值作为背景图像；
S23：粒子图像减去背景图像，得到预处理后的PIV图像。


4.根据权利要求1所述的湍流边界层处理方法，其特征在于：所述步骤S3包括以下步骤：
S31：使用常规均匀查询窗口互相关计算得到无量纲平均速度；
S32：拟合Spalding公式得到壁面摩擦速度；
S33：将连续两帧预处理的PIV粒子图像进行互相关，得到某一法向空间位置的局部平均速度；
S34：将所述局部平均速度用所述壁面摩擦速度进行无量纲化，得到无量纲化的局部平均速度；
S35：利用泰勒级数法结合系统和随机的不确定度计算由多个变量决定的无量纲平均速度的相对不确定度。


5.根据权利要求4所述的湍流边界层处理方法，其特征在于：步骤S32中拟合得到壁面摩擦速度，方法如下：
将沿壁面法向的平均流向速度利用Spalding公式提供的无量纲速度剖面公式进行拟合，其中Spalding公式为，



在利用Spalding公式拟合壁面摩擦速度的过程中，将边界层内区的壁面法向位置点带入Spalding公式，求得无量纲速度由u/uτ求得的无量纲速度uτ为壁面摩擦速度，当拟合误差函数取得最小值时，计算得到满足条件的壁面摩擦速度。


6.根据权利要求4所述的湍流边界层处理方法，其特征在于：所述S35具体包括以下步骤：
S351：利用泰勒级数法计算平均速度u和壁面摩...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏振炎，闫凯伦，郭新宇，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12