基于特征点匹配的室内表面流场快速测量系统

为提升室内模型试验表面流场测量的计算效率,建立了基于图像特征点匹配的模型试验表面流场快速测量系统。该系统由摄像机、示踪粒子和测速软件组成,试验中首先投掷示踪粒子并采集试验视频,然后导入测速软件进行图像预处理和基于图像特征点匹配算法的快速测流计算并实时展示瞬时流场,最终输出原型尺度的时均流场及流线图。该系统应用于堰坝水闸工程模型试验和泄洪洞射流模型试验,系统自动化程度高,计算效率高,应用场景适应性强;输出的流场具有高时空间分辨率,精度与PIV相当,可真实反映出试验工况下表面水流特性。     

光流法在掺气水流流场测量中的应用进展

水利设施中掺气水流运动速度估计一直是水气两相流领域重点研究的课题,由于掺气水流中气泡复杂的演变机制和剧烈的湍动瞬变,导致现有的测量技术难以准确的表征水流流场情况。基于光流法的流场可视化技术因其独特的优势而成为图像识别领域重点研究的方向。光流法能够根据像素亮度计算出细观气泡运动的高分辨率光流场,弥补了传统的基于粒子图像测速技术的不足。为了全面反映国内外研究人员应用光流技术对掺气水流流场可视化估计的进展,本文从经典光流法的原理出发,综述了目前用于掺气水流中的几种光流技术及其特点,然后总结了光流技术在处理掺气水流这种复杂场景时采用的关键技术和参数选择情况。最后,探讨了光流技术在掺气水流应用中所面临的挑战和前沿问题,并对其未来的发展做出展望。     

电站循环水泵进水流道水力特性及整流优化研究

循环水泵进水条件的优劣对循环水泵效率及是否出现汽蚀和振动有显著影响。针对某电站300 MW机组循环水泵振动问题,采用RNG湍流模型对其进水流道水力特性开展三维数值模拟研究,分析了进水流道整体水流流态、泵吸水喇叭口附近区域流场、泵体周围流速分布,并对其进行了整流优化改造方案研究。结果表明,循环水流道斜坡坡度较大,导致水流扩散不均匀,表面流速较大,在斜坡底面和进水池存在较大漩涡;泵吸水喇叭口截面水流严重不对称,出现较明显偏流,泵进水条件恶劣;采取有效整流消涡措施可以改善循环水流道水流流态,均匀流速,改善泵进水条件。     

光滑矩形明渠二次流特性研究

明渠中二次流的存在影响了流速和能量的分布,本文利用高分辨率粒子图像测速系统（PIV）,对光滑明渠中二次流的特性进行研究。考虑到明渠紊流具有对称性,对二分之一水槽内的水流参数进行了测量。由于宽深比的变化对二次流有直接影响,取宽深比从3.75到7.5,研究急流条件下二次流结构和强度的变化,以及雷诺应力沿垂线分布的变化规律。结果表明：横断面内存在多个二次流涡结构,其个数和强度受到宽深比的影响;紊动能分布和二次流之间关系密切;流向速度分布存在最大流速下移现象,下移点位置和宽深比以及测线到壁面的距离有关,符合经验公式计算结果;水槽中心处雷诺应分布不受宽深比的影响,但是受到流速梯度的影响。     

竖轴旋涡对丁坝坝头块石颗粒起动的影响

研究丁坝坝头块石的走失原因对河道整治工程、路基桥梁等的经济和安全都有很重要的意义。通过采用静止流场中圆柱旋涡产生的流场与明槽均匀流动的叠加对流场进行了简化,分析了竖轴旋涡对块石颗粒的作用,并求解了在旋涡吸力及绕流升力作用下颗粒的瞬时起动流速;计算表明瞬时起动流速比时均情况下起动流速要小的多,解释了时均情况下难以起动的块体在旋涡瞬时吸力下能被卷走的原因;分析了坝长和束窄率对瞬时起动流速的影响,为进一步分析竖轴旋涡对坝前颗粒运动及局部冲刷的作用建立了基础。     

桥墩局部冲刷三维地形及水流结构特性试验研究

本文开展不同水流条件下单、双墩绕流冲刷试验,基于SFM方法实现冲刷地形三维重构,并使用粒子图像测速技术获取桥墩绕流二维流场,定量分析水流结构与冲刷地形之间耦合关系。结果表明：（1）通过运动摄像重构技术可实现冲刷地形三维重构,冲刷坑为不规则倒置圆锥体,模型前方及两侧冲刷深度最大,后方呈凸起形态。（2）随水流强度增大,坑深与坑径均线性增大,坑后沙堆长度与高度均增大,沙丘“尾鳍”夹角减小。冲刷坑面积与体积均随水流强度增大而增大,且随坑深增大呈开口向上抛物线趋势增大。（3）剪切应力下切作用将形成较深冲刷坑,位于桥墩两侧大尺度流向涡向下游延伸,促进冲刷坑后方倾斜凹槽形成。尾涡分离弱化,挟沙能力降低,桥墩下游出现泥沙堆积。     

曲线坐标系下的三维k-ε-A_p固液两相湍流总沙输运模型

本文建立非正交曲线坐标系下的三维k-ε-A,固液两相湍流模型研究弯道内的水流泥沙运动和河床冲淤变形.河床变形计算采用推移质模型和总沙模型两种处理方法.两相湍流模型在计算推移质输运时采用泥沙的横纵向速度处理推移质的强度和方向,利用泥沙垂向速度计算悬沙与床沙之间的交换通量.计算发现两相湍流模型的河床冲淤变化分布结果比单相湍流模型的结果更接近试验结果,两相湍流总沙模型计算结果中局部区域的水深比两相湍流床沙模型计算得到的水深小.床面变形以及固液两相横纵向流速分布分析比较表明,泥沙运动的横向和纵向分布对床面变形的影响起重要作用,单相湍流模型在计算弯道内的推移质运动时夸大了二次流对泥沙横向输运的作用.     

明渠非恒定流推移质输沙试验研究

为研究明渠非恒定流输沙特性,本文建立了一套非恒定流流速、水深、流量及推移质输沙率测量系统。进行了9组恒定流输沙及3组非恒定流输沙试验,结果表明:恒定流条件下Einstein公式比Meyer-Peter公式具有更好的精度;非恒定流的推移质输沙强度与水流强度变化存在不同步的现象,长时间平均输沙率大于恒定流结果。     

前后串列布置的吸水管周围流场PIV实验研究

水泵进水池中沿来流方向前后串列布置多根吸水管时,其周围流场具有复杂的三维、不稳定、强紊动的特性.本文在玻璃水槽内对不同管间距条件下的吸水管周围进行了大量的PIV流场量测实验,通过流场分析显示,上游吸水管的尾流作用加剧了下游吸水口的水流紊动强度,流场多处出现表面旋涡和水内旋涡,其运动形态复杂多变.同时,随着吸水管设置间距的缩短,吸水口附近流速分布趋于不均匀,旋涡涡量逐渐增强.     

三角孔多孔板下游空化流场的PIV剖析

采用粒子图像测速仪(PIV)对不同类型的三角形孔口多孔板下游空化流场的流动特性进行了量测,分析了孔口大小(边长a=2.6 mm,4.0 mm,5.1 mm和6.7 mm)、孔口数量(n=9,16,25和64)和孔口排列(棋盘式和交错式)对多孔板下游时均流速、紊动强度及紊动切应力分布的影响。结果表明,多孔板下游的时均流速、紊动强度及紊动切应力呈现不同程度的锯齿状分布,适当地缩小孔口、增加孔口数量,并将孔口布置为交错式排列有利于多孔板下游水流的掺混、紊动和剪切作用;在试验设计的不同规格三角形孔口多孔板中,孔口边长a=4.0 mm、孔口数量n=25且孔口为交错式排列的多孔板下游空化流场的流速梯度最大、紊动剪切作用最为剧烈。     

Vectrino Profiler在明渠紊流测量中的适用性研究

为测试声学多普勒流速仪(ADV)在明渠紊流测量中的适用性,在水槽中进行了系列试验,重点研究采样频率及安装高度对测量结果的影响。试验中使用诺泰克公司(Nortek)生产的新型ADV产品Vectrino Profiler及清华大学研制的PIV系统对水流同步测量。测量结果的对比分析显示,该型号ADV有如下特点:(1)存在准确度最优点,位于探头正下方约5 cm处;(2)采样频率对流速时均值的影响可忽略不计,对紊动参数的影响很大;(3)Vectrino Profiler在紊动参数的测量中,只有在优点处的计算结果较为可靠,最优点外数据可信度不高;(4)当测量区域靠近水面或床面时,测量误差都会变大。本文研究结果表明,在将Vectrino Profiler用于明渠紊流测量时,需要合理选定测量频率和探头安装位置,否则可能会导致错误结果。     

凹槽长度对后台阶湍流特性影响研究

为探究上游凹槽长度对后台阶流动影响,采用数值模拟方法对雷诺数6500、9000下后台阶流动进行研究,得到不同凹槽长度下,凹槽内、后台阶流道内流速及湍动能分布和后台阶时均再附距离的变化规律。结果表明：(1)凹槽可以减小后台阶时均再附距离,但当凹槽长度大于等于7倍台阶高度时,时均再附距离受凹槽长度影响较小,并趋于定值,相比无凹槽情况,时均再附距离平均减小12%。(2)凹槽长度可以改变后台阶分离点断处湍动能分布,增大分离点处湍流度。当凹槽长度大于等于7倍台阶高度时,断面湍动能呈现出S型分布,极大值出现在0.3倍流道高度附近;当凹槽长度小于7时,湍动能分首先在0.05倍流道高度附近达到极大值,而后0.6倍流道高度附近达到极小值。(3)通过缩放尺度因子,得到后台阶流动近似再附距离,解释了湍流度对后台阶流场的作用机理。时均再附距离与近似再附距离有着良好的线性关系,湍流度增大促进自由剪切层的下沉,缩短剪切层再附到下游壁面的时间,进而缩短了时均再附距离。     

多相流互相关测速算法综述

多相流广泛存在于现代工业生产中,其流速测量是保障生产过程安全及改善生产工艺质量和效率的关键。互相关技术是多相流流速测量的主要手段之一,但由于工业多相流流动状态的复杂性,经典的互相关算法难以满足测量的实时性和准确性的需求,在应用时有一定的局限性。本文综述了近年来运用互相关算法测量多相流流速的研究进展,并从提升算法精度和计算速度两方面对已有的改进方法进行了阐述和对比分析。评估结果表明,自适应互相关方法和频域相关方法均能在计算量较低的情况下获得准确度较高的结果,其中频域方法能够得到最稳定的速度测量结果。基于互相关算法的研究进展,本文还对可能的研究方向进行了讨论,为多相流互相关测速技术的发展提供借鉴。     

矩形扩压通道内流动控制的实验与数值研究

采用粒子成像测速技术和大涡模拟方法对带有涡旋射流的矩形扩压器分离控制的流场进行了实验和数值分析,数值计算结果与实验数据吻合良好。通过分析实验和计算得到相关截面速度和涡量分布,讨论了涡旋射流的二维涡结构;同时应用三维涡识别技术获得了射流产生各种涡旋结构的流动形态,重点研究射流流向涡结构的生成、发展等动力学演化过程。结果表明:射流剪切层涡系的结构随着时间推移从涡卷演化为了涡环;射流孔口前缘的马蹄涡系具有较强的稳定性,反向涡对具有明显的时均特性。此外还通过对比射流控制前后扩压器表面压力系数、分离区长度、扩张段流动形态及观测点功率谱分析等多种方式探讨了射流控制流动分离的控制效果,并指出射流在下游远场形成的纵向涡旋将主流流场边界层外的高能流体卷入到边界层内,增加了边界层内部的流动能量,从而延缓或抑制了流动分离。     

堆积体对近床面水流紊动强度试验研究

采用声学多普勒流速仪ADV对概化水槽中受堆积体影响河道的流速进行了精细的测量,并将数据代入无量纲化的紊动强度计算公式来分析流量、河道缩窄率、堆积体侧向坡度对河道近床面紊动强度分布的影响。试验结果表明：以堆积体对称轴断面为起点,在下游相对距离0 ~ 1.5断面处,由于堆积体对水流的束窄和突扩作用导致出现水跃,紊动强度波动较大形成强紊动区,且随阻流作用的增加而增加;在相对距离1.5 ~ 4.5断面,由于水流持续扩散导致紊动强度衰减,但左岸受回流影响紊动强度衰减较缓,因此左岸变化率小于右岸,且变化率随阻流作用的增加而增加;在相对距离4.5 ~ 6.5断面,紊动强度逐渐恢复平稳状态且大于相对距离-4.5 ~ 0断面。试验结论揭示了河道中的水流紊动特性及堆积体对河道水流紊动影响的内在机理,加深了对堆积体作用下的水流运动、泥沙冲淤和输移规律及河床演变发展变化的认识,可为研究山区河流受堆积体影响的河道水流紊动特性的数值模拟提供验证资料。     

体视粒子图像测速技术研究进展

体视粒子图像测速（stereoscopic particle image velocimetry,SPIV）是一种可以无干扰测量平面三维瞬态流场的流速测量技术,它克服了平面二维PIV技术无法解析垂直于测量平面的速度分量及平面内速度分量易受透视误差影响的不足。文章对研发和应用SPIV技术过程中涉及的成像系统构造、成像系统标定、标定平面与激光片光不重合引起的测量误差及修正、三维流场重构等区别于PIV的主要技术特征进行了介绍,总结了上述关键技术的主要研究进展。在此基础上,从测量精度和空间分辨率两个方面,总结了现有SPIV系统的主要技术指标及其影响因素。最后,介绍了SPIV在复杂物体绕流及湍流相干结构研究两个方面的典型应用实例,总结了将SPIV扩展为三维体测量方法的主要途径和方法,揭示了SPIV在水动力学研究领域具有的极大应用潜力。     

定床上丁坝流场数值模拟

建立了边界拟和曲线坐标变换下的平面二维变水深流函数-涡量数值模型.给出的坐标变换可用于三维;计算紊动扩散系数采用F分布,模型可用于变水深情况.用本文的模型,研究了单个丁坝与不同个数、不同形式的丁坝群产生的流速场与涡量场,给出涡量与漩涡回流范围.结果表明:计算得出的流函数、涡量、流速合乎规律;丁坝坝头处流速大,流速梯度即涡量也较大.本文方法较通常紊流模型及原参数解简便,为丁坝绕流数值模拟的一条新途径.