图1 粒子图像时间间隔等于2Δtu的数据处理方法
1.2 紊流实验数据
紊流实验数据来源于明渠恒定均匀流实验。实验在清华大学水利工程系长20 m、宽0.3 m、底坡0.002的自循环变坡玻璃水槽中测定,水流水深4.0 cm,对应的摩阻Reynolds数Reτ为1 040。实验测量段距水槽入口12 m,可保证明渠紊流充分发展。采用自研的JFM(joy fluid measurement)系列高频SPIV系统对水槽中垂面的平面三维流场进行测量,水流示踪颗粒为粒径10 μm、密度1.06 g/cm3的空心玻璃微珠;激光器为Nd:YLF型高频脉冲激光器,波长527 nm,重复频率1 000 Hz时单脉冲能量为10 mJ,激光束经片光光路后在测量平面形成厚约1.5 mm的片光;拍摄粒子图像的2台高速相机分辨率为2 336×1 920像素,满帧频率为730 Hz,镜头规格为尼康AF 50 mm f/1.8D,镜头与相机采用Scheimpflug接头连接;2台相机采用角位移架构成像,对称安装在测量平面的上下游,相机有效成像视角约为24°;2台高速相机及激光器之间的同步由QuantumⓇ QC9520系列脉冲发生器控制,时间精度为±1 ns。
实验时,2台相机均以1 000 Hz的频率连续采集粒子图像,图像采样历时为80 s,使得相互独立的流场数满足统计收敛要求。对两台相机采集到的粒子图像按节1.1及图1所示的方法进行处理,模拟不同粒子图像时间间隔条件下的SPIV实验。
1.3 数据处理方法
采用自主开发的JFM软件对不同时间间隔条件下的粒子图像进行判读处理。判读之前,首先采用对比度增强和Gauss滤波方法对粒子图像进行预处理,再分别采用经典双帧互相关PIV算法计算粒子图像对应的平面二维流场。对于层流实验数据,还利用多帧金字塔相关PIV算法[12]计算对应的平面二维流场,计算各流场使用的等间隔粒子图片数为4帧。2种图像判读算法中均引入了多级网格迭代、多次判读及图像变形方法,详细介绍见文[13]。计算层流流场时两台相机所摄粒子图像的判读窗口尺寸分别为24×24像素和28×28像素,重叠率为75%;计算明渠紊流流场时2台相机所摄粒子图像的判读窗口尺寸分别为24×24像素和20×20像素,重叠率为50%。三维流场重构采用Soloff方法[14]完成,对应的成