[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种新颖的无 seeding 大规模 PIV（LSPIV）方法，通过考虑毛细重力波相速，利用图像中的镜面反射波数矢量分析校正表面速度测量。该方法在无 seeding 条件下提升了低流速工况下的测量精度，通过区分流致运动与波动力学，在实验室和自然河流中均实现了可靠的流速估算。

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.

研究动机与目标

• 解决在自然表面特征（包括毛细重力波）主导而非流致运动占主导的低流速区域中 LSPIV 测量不准确的问题。
• 开发一种方法，以区分无 seeding LSPIV 应用中流致表面位移与波致相位传播。
• 通过校正波相速效应，在无示踪剂或悬浮颗粒条件下提升流速测量精度。
• 引入一种鲁棒、安全且简便的正交校正程序，用于 LSPIV 图像处理。
• 在无 seeding 的低流速条件下，于受控环境与自然环境中对方法进行验证。

提出的方法

• 该方法利用水面的镜面反射作为天然标记，消除了对 seeding 或悬浮颗粒的需求。
• 从用于 PIV 分析的相同图像中提取毛细重力波的波数矢量，从而实现相速估计。
• 利用测得的波数矢量和波频，通过波的色散关系计算相速的大小与方向。
• 通过从观测到的表面位移中减去波相速分量，对 LSPIV 速度场进行校正。
• 应用一种新颖的正交校正技术，通过基于图像的标定方法校正 LSPIV 图像中的几何畸变。
• 该方法应用于矩形混凝土直渠和自然河流，并与标准 LSPIV 进行了对比验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在毛细重力波主导表面动力学的低流速条件下，如何改进 LSPIV 流速测量？
• RQ2 在无 seeding LSPIV 中，毛细重力波在表观表面位移中贡献多大程度，如何实现定量校正？
• RQ3 对镜面反射的波数矢量分析能否准确估计波相速，以用于 LSPIV 校正？
• RQ4 在低流速条件下，与标准 LSPIV 相比，所提出的校正方法在精度和可靠性方面表现如何？
• RQ5 该新型正交校正程序在提升 LSPIV 图像质量和测量一致性方面的表现如何？

主要发现

• 所提出的方法通过校正毛细重力波相速，显著提升了低流速区域 LSPIV 的测量精度，否则该相速会引入显著的表观速度误差。
• 在受控矩形渠道中的测量表明，在低流速条件下，波相速贡献可占表观表面位移的 30%。
• 在自然河流中，经校正的 LSPIV 流速与参考测量值相比，一致性优于未经校正的标准 LSPIV。
• 正交校正程序成功减少了 LSPIV 图像中的几何畸变，提升了位移追踪的可靠性。
• 该方法在无 seeding 条件下实现了可靠的流速估算，证明了其在难以或不适宜 seeding 的环境中应用的可行性。
• 利用镜面反射作为天然示踪剂，使在低流速条件下，实验室和野外环境中均实现了高质量测量。