一种无干扰全流程水深测试方法及其在溃坝水流试验研究中的应用

摘要

基于MATLAB图像处理和计算机视觉模块函数库,开发了一种无干扰全流程水深测试方法:首先利用Camera Calibration工具箱标定摄像机以得到标定代码;其次,将记录水流运动的视频文件逐帧保存,利用标定代码消除每帧图片中由于广角镜头产生的桶形畸变,并对图片灰度化和二值化,同时加入中值滤波消除噪声;最后,读取二值图黑色像素点,将其转换为实际水深,从而获取其时空分布特性。运用该方法对强非恒定流–溃坝水流进行了试验测量,研究工况为上游水深500 mm,水深比(初始时刻下游与上游水深之比)为0~0.9。观测发现,溃坝水流可大致分为3种演进模式:简单波(水深比为0)、间断波(水深比为0~0.4)、起伏波(水深比为0.4~1.0)。分别选取3种典型工况(水深比为0、0.3、0.6)数据与波高仪测量结果进行了对比,结果表明,除上下游静水区二者数据吻合良好外,下游水面光滑平顺的渐变流区、激波前锋与下游出现强间断的激波区及水面起伏明显的起伏波区,波高仪较图像技术都有不同程度的壅高,水流演进越剧烈,壅高越明显。本文建立的测量方法无需在水流中安放测量仪器,具有无侵入性,对流场无干扰,不仅能够获取全流程水深数据、重现水流完整演进过程,还能很好地捕捉到诸如水流跃起、翻滚、波动、空气卷吸等流态细节。另外,试验中保持稳定光照及染色浓度,有助于降低图片噪点、改善图片质量,从而进一步提高测量结果的精度。