【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于流体力学测量，具体涉及一种用于同步测量浮力羽流瞬时速度场与浓度场垂向剖面的装置及方法。
技术介绍
1、研究浮力羽流的动力学特性在地球流体力学的中尺度及次中尺度过程中意义重大。在模拟地转条件下的近海河口羽流的实验研究中，近年来普遍应用粒子图像测速技术(piv)和平面激光诱导荧光技术(plif)对浮力羽流的速度场与浓度场剖面进行可视化观测，从而为出海观测与cfd模拟结果提供高精度数据论证。
2、传统piv/plif实验中，在特定能量、频率和波长的激光波束照射下的实验流体中配置的均匀浓度的piv示踪粒子或荧光示踪剂会在吸收对应激发波长的光子后达到高能级并释放光子，并表征在局部位置，通过这一特性可以实现对实验流体的二维场时空序列采集，进而捕获实验流体的动力学特征与掺混特性。
3、尽管上述piv/plif技术有非侵入式、高时空分辨率和低信噪比的优点，但目前针对浮力羽流的传统piv/plif实验方法多数局限于其表层的水平剖面分析，且基本为重复性实验结果，难以实现同一实验同一视角下的速度场和浓度场的同步测量。此外，鲜有实验研究针对浮力羽流的垂向剖面进行piv-plif同步探测，而研究浮力羽流的垂向结构可以将结构认知拓展到三维空间，并且对于理解其与近海次表层的垂向混合以及羽流-陆架相互作用过程至关重要。
4、因此，亟待设计一种应用于同步测量浮力羽流瞬时速度场与浓度场垂向剖面的装置，用于获取浮力羽流整个生命周期的实时高精度同步速度-浓度垂向剖面数据。
技术实现思路>
1、本专利技术目的在于针对现有技术的不足，提出一种用于同步测量浮力羽流瞬时速度场与浓度场垂向剖面的装置及方法，以改进传统piv/plif实验方法多数局限于其表层的水平剖面分析且非实时非同步测量数据的缺陷。该实验装置结构简洁，高度自动化，操作门槛低，并能实现浮力羽流位于多个位置不同结构的速度场与浓度场垂向剖面的实时同步采集过程，为浮力羽流的垂向动力过程认知打开了新的视角。
2、本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：
3、第一方面，本专利技术提供了一种用于同步测量浮力羽流瞬时速度场与浓度场垂向剖面的装置，包括piv-plif同步采集模块，恒流供水模块和恒速旋转水槽结构；
4、所述恒速旋转水槽结构包括上部支架、激光器滑轨、ccd相机滑轨、岸墙、河口、水槽、水槽底座和基底八部分，其中所述激光器滑轨与ccd相机滑轨分别在上部支架中水平和垂直开轨，激光器滑轨位于上部支架顶部横梁处，两个ccd相机滑轨位于上部支架两个对称的竖梁处；所述河口嵌入在岸墙内侧，可由计算机软件实现闸门远程控制开合；所述岸墙垂直固定于水槽内，水槽固定于水槽底座正上方，水槽底座外侧用于固定上部支架，底部连接基底，在远程控制下，上述部分均以设定的恒定转速稳定运行并相对静止。
5、所述piv-plif同步采集模块包括piv-plif激光器、piv-plif联合ccd相机模组和反射镜，其中所述piv-plif激光器活动连接在激光器滑轨上；所述两套piv-plif联合ccd相机模组分别活动连接在水槽两侧的ccd相机滑轨上，在ccd相机滑轨附近均安置了与水槽底座平面呈45°角放置的反射镜，所述对称安置的piv-plif激光器、piv-plif联合ccd相机模组和反射镜部件分别用于恒速旋转水槽结构顺时针与逆时针旋转两种工况下的沿岸流来向的垂向剖面识别采集。
6、所述恒流供水模块包括导流管、蓄水箱和恒流泵三部分，其中蓄水箱中配妥的浮力羽流被恒流泵以恒定功率通过导流管以恒定流速泵入河口中，在恒速旋转水槽结构上设有完全相同的两套供水模块以探究多河口羽流工况。
7、进一步地，所述piv-plif激光器光源采用450nm激光，该波段下的piv-plif成像效果均良好，通过激光器内置透镜展开成均匀片光，组成一个可以完全覆盖浮力羽流垂向剖面的激光面；piv-plif联合ccd相机模组中的piv相机和plif相机紧密相邻，且均采用ccd传感器。
8、进一步地，所述水槽整体材质采用透明有机玻璃，圆柱弧面侧壁最大厚度小于2cm，该设计使得激光诱导剖面透射过侧壁时几乎不受影响。
9、进一步地，所述piv-plif同步采集模块和恒速旋转水槽结构由工作站通过wifi进行遥控；所述恒流供水模块在实验开始前手动设置入流流量。
10、第二方面，本专利技术提供了一种同步测量浮力羽流瞬时速度场与浓度场垂向剖面的方法，该方法具体是：
11、所述恒速旋转水槽结构中预先加入含有均匀浓度piv粒子的环境流体，在启动后以恒定转速运行足够时间，使转台内的环境流体达到钢化状态，此时工作站通过wifi遥控抬升河口闸门，同时手动启动恒流供水模块，含有均匀浓度荧光素钠的浮力羽流以恒定流速流出河口，在惯性力和科氏力共同作用下向下游方向流动。
12、当浮力羽流沿岸墙发展到piv-plif激光器扫下的激光剖面区域时，浮力羽流的激光诱导剖面开始出现，并穿透水槽侧壁同步映射在反射镜上形成镜像成像剖面并折射到piv-plif联合ccd相机模组的镜头上，该剖面位于piv-plif联合ccd相机模组覆盖的镜像采集视场的中心位置。
13、当上述采集持续足够长的旋转周期后，整个采集流程结束，通过matlab软件后处理得到浮力羽流的二维速度场与浓度场垂向剖面的时间序列。
14、进一步地，所述piv-plif联合ccd相机模组在采集镜像成像剖面时应当精准对焦以实现镜像成像剖面的清晰采集，这取决于激光诱导剖面到水槽侧壁的水平距离d1和piv-plif联合ccd相机模组镜头到镜像成像剖面几何中心的垂直距离d2，激光诱导剖面和镜像成像剖面对应的荧光强度分别为e0和em。若成功对焦需满足以下关系：
15、
16、其中，d1为针对研究浮力羽流不同位置(如凸起、沿岸流)设定的距离，e0为piv-plif激光器激发的荧光强度，为一定值，而em受到d1控制，因此通过调节piv-plif联合ccd相机模组在激光器滑轨上滑动使d2满足上述关系，进而实现调焦。
17、当调焦成功后，在工作站软件中记录相关参数，在后续实验改变d1时，可通过软件指令实现自动调节piv-plif联合ccd相机模组的垂直距离d2以自动对焦。
18、本专利技术的有益效果如下：
19、1、本专利技术实现了对浮力羽流垂向结构的多参数实时同步观测，观测数据具有高时空精度、高一致性、低信噪比等特点，且采集技术鲁棒性强，不受浮力羽流的不稳定性影响。
20、2、本专利技术装置填补了目前实验研究对于浮力羽流垂向结构认知的空白，通过piv-plif同步采集模块进行浮力羽流瞬时速度场与浓度场垂向剖面的采集，后处理后得到浮力羽流垂向发展的时间序列，对于理解其与近海次表层的垂向混合以及羽流-陆架相互作用过程至关重要。
21、3、本专利技术装置结构简洁，高度一体化、自动化，具有自动对焦，多工况模拟等优势，且实验流体可本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.用于同步测量浮力羽流瞬时速度场与浓度场垂向剖面的装置，其特征在于，包括PIV-PLIF同步采集模块，恒流供水模块和恒速旋转水槽结构；
2.根据权利要求1所述的用于同步测量浮力羽流瞬时速度场与浓度场垂向剖面的装置，其特征在于，所述PIV-PLIF激光器(3)光源采用450nm激光，通过激光器内置透镜展开成均匀片光，组成一个完全覆盖浮力羽流垂向剖面的激光面；PIV-PLIF联合CCD相机模组(5)中的PIV相机和PLIF相机紧密相邻，且均采用CCD传感器。
3.根据权利要求1所述的用于同步测量浮力羽流瞬时速度场与浓度场垂向剖面的装置，其特征在于，所述水槽(10)整体材质采用透明有机玻璃，圆柱弧面侧壁最大厚度小于2cm，该设计使得激光诱导剖面(18)透射过侧壁时几乎不受影响。
4.根据权利要求1所述的用于同步测量浮力羽流瞬时速度场与浓度场垂向剖面的装置，其特征在于，所述PIV-PLIF同步采集模块和恒速旋转水槽结构由工作站通过WiFi进行遥控；所述恒流供水模块在实验开始前手动设置入流流量。
5.同步测量浮力羽流瞬时速度场与浓度场垂向剖
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述PIV-PLIF联合CCD相机模组(5)在采集镜像成像剖面(15)时应当精准对焦以实现镜像成像剖面(15)的清晰采集，这取决于激光诱导剖面(18)到水槽(10)侧壁的水平距离D1和PIV-PLIF联合CCD相机模组(5)镜头到镜像成像剖面(15)几何中心的垂直距离D2；
...【技术特征摘要】
1.用于同步测量浮力羽流瞬时速度场与浓度场垂向剖面的装置，其特征在于，包括piv-plif同步采集模块，恒流供水模块和恒速旋转水槽结构；
2.根据权利要求1所述的用于同步测量浮力羽流瞬时速度场与浓度场垂向剖面的装置，其特征在于，所述piv-plif激光器(3)光源采用450nm激光，通过激光器内置透镜展开成均匀片光，组成一个完全覆盖浮力羽流垂向剖面的激光面；piv-plif联合ccd相机模组(5)中的piv相机和plif相机紧密相邻，且均采用ccd传感器。
3.根据权利要求1所述的用于同步测量浮力羽流瞬时速度场与浓度场垂向剖面的装置，其特征在于，所述水槽(10)整体材质采用透明有机玻璃，圆柱弧面侧壁最大厚度小于2cm，该设计使得激光诱导剖面(18)透射过侧壁时...
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