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测量雨水管道中雨水的流速能够为预测城市暴雨积水的发生提供必要的基础测量数据。管道雨水成分多样、流动型态复杂、变化剧烈,传统的测流方法很难有效测量。借鉴粒子图像测速中的流场测量思想,实现了一种基于互相关分析的管道雨水流速测量方法:对连续两幅流场图像进行互相关分析得到流场的二维速度矢量分布,再使用统计方法提取平均速度。
传统的互相关方法计算量很大,本文对互相关分析的快速算法进行了研究。使用FFTW快速傅里叶变换算法库和DirectShow技术开发了互相关雨水流速测量软件,实现了流场的在线测量。
使用二维余弦权重函数对图像进行预处理,消除了因水中的固体颗粒物进出流测量区域场造成的图像边缘突变。权重函数的“加窗”效果也减少了傅里叶变换时的频率混叠效应。
为了得到亚像素测量精度,本文对形心法、抛物拟合法、高斯拟合法这三种常用的亚像素拟合方法进行了研究,并对不同的实现方法进行了比较,确定了最优的拟合方法。在提取平均速度之前,使用频域低通滤波方法去除伪矢量。
设计并建立了一个管道雨水流速标定实验装置,在不同流速下对该方案进行了验证。实验结果证明,利用速度场提取平均速度的方法很好地平滑了管道中流体流动的复杂多变性,能够比较准确地测量出雨水的平均流速,可应用于实际测量。