[論文レビュー] Unseeded Large Scale PIV measurements accounting for capillary-gravity waves phase speed

Benetazzo, A.+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2016

Hydrology and Sediment Transport Processes参考文献 20被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、鏡像反射の波数ベクトル解析を用いて、キャピラリー重力波の位相速度を補正することで、粒子を添加しない大規模PIV（LSPIV）手法を提案する。この手法により、低流量条件下でも、流れに起因する運動と波動のダイナミクスを区別することで、実験的・自然河川の両方で信頼性の高い速度推定が可能になる。

ABSTRACT

Large Scale Particle Image Velocimetry (LSPIV) is widely recognized as a reliable method to measure water surface velocity field in open channels and rivers. LSPIV technique is based on a camera view that frames the water surface in a sequence, and image-processing methods to compute water surface displacements between consecutive frames. Using LSPIV, high flow velocities, as for example flood conditions, were accurately measured, whereas determinations of low flow velocities is more challenging, especially in absence of floating seeding transported by the flow velocity. In fact, in unseeded conditions, typical surface features dynamics must be taken into account: besides surface structures convected by the current, capillary-gravity waves travel in all directions, with their own dynamics. Discrimination between all these phenomena is here discussed, providing a new method to distinguish and to correct unseeded LSPIV measurements associated with wavy structures, accounting for their phase speed magnitude and direction. This has been done measuring wavenumber vectors by using the same images exploited for PIV analysis. All measurements are performed without any flow seeding and in total absence of suspended materials, using the specular reflection of the water surface as a key marker. Results obtained at low-flow regimes in a straight concrete-made rectangular-section channel and in a river are satisfying, especially if compared to those obtained from classic LSPIV application without discrimination and correction. Moreover, a novel simple and safe procedure to orthorectify images is here presented.

研究の動機と目的

• 自然の表面特徴、特にキャピラリー重力波が流れに起因する運動よりも支配的となる低流量域におけるLSPIV測定の不正確さという課題に対処すること。
• 粒子を添加しないLSPIV応用において、流れに起因する表面変位と波に起因する位相伝播を区別する手法を開発すること。
• トレーサーや懸濁粒子が存在しない状況で、波の位相速度の影響を補正することにより、速度測定の正確性を向上させること。
• LSPIV画像処理に適した、強固で安全かつ簡単な正射影補正手順を導入すること。
• 粒子を添加しない条件下で、制御された環境および自然環境の両方で、本手法を検証すること。

提案手法

• 本手法は、粒子を添加する必要のない自然なマーカーとして、水面の鏡像反射を利用する。
• キャピラリー重力波の波数ベクトルは、PIV解析に用いられる同じ画像から抽出される。
• 測定された波数ベクトルと波の周波数を用いて、波の分散関係から位相速度の大きさと方向を計算する。
• 観測された表面変位から波の位相速度成分を差し引くことで、LSPIV速度場を補正する。
• 画像ベースのキャリブレーションを用いて、LSPIV画像の幾何的歪みを補正する、新規の正射影補正技術を適用する。
• 本手法は、直方体のコンクリート水路および自然河川の両方へ適用され、標準LSPIVとの比較による検証が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャピラリー重力波が表面ダイナミクスを支配する低流量条件下で、LSPIV速度測定をどのように改善できるか。
• RQ2 キャピラリー重力波が粒子を添加しないLSPIVにおける見かけの表面変位にどの程度寄与しているか、そしてその定量的補正は可能か。
• RQ3 鏡像反射の波数ベクトル解析が、LSPIVにおける波の位相速度の補正に正確に用いられるか。
• RQ4 低流量条件下で、本補正手法は標準LSPIVと比較して、正確性および信頼性において優れているか。
• RQ5 新規の正射影補正手順は、LSPIV画像品質および測定の一貫性を向上させる上で、どの程度の性能を示すか。

主な発見

• 提案手法は、キャピラリー重力波の位相速度を補正することで、低流量域におけるLSPIVの正確性を顕著に向上させ、そうでなければ見かけの速度に顕著な誤差を生じさせる。
• 制御された直方体水路での測定では、波の位相速度寄与が低速度条件下で見かけの表面変位の最大30％を占めることが判明した。
• 自然河川での測定では、補正済みLSPIV速度が、補正なしの標準LSPIVと比較して、基準測定値とより一貫性を示した。
• 正射影補正手順により、LSPIV画像の幾何的歪みが有意に低減され、変位追跡の信頼性が向上した。
• 本手法は、粒子を添加しない状況でも信頼性の高い速度推定を達成したため、粒子を添加できない、または環境的に望ましくない環境への適用可能性を示した。
• 鏡像反射を自然なトレーサーとして用いることで、実験的および現場環境の両方で低流量条件下で高品質な測定が可能になった。