三维激光诱导荧光大范围水体标量场测量仪

一、技术产品名称

三维激光诱导荧光大范围水体标量场测量仪

二、主要功能与先进性

基于非介入式的三维激光诱导荧光技术（3-dimensional Laser Induced Fluorescence,以下简称3DLIF），针对科研和工程中水体浓度场和温度场高精度三维测量需求，集成大尺寸均匀激光片光源、同步运动控制、图像快速同步采集、智能标定与校正、三维重构等关键技术解决方案，研制水体标量场（浓度场和温度场）三维测量仪器。设备主要用于水力学湍流和非定常流基础实验研究，兼顾解决重大能源工程（水电、火电和核电）冷却水测量和水库河流污染等模拟测量，为水力学/流体力学/水利水电工程领域的基础科研、工程物理模拟实验、教学实验提供重要技术手段。

本设备实现了多种技术创新，是国际上第一台能够测量0.5m×0.5m×1.0m水体三维空间浓度场和温度场的设备，提升了我国在流体基础科研中的自主技术手段和重大工程的技术保障能力。主要先进性包括：

1、国内外首创通过多高斯光束合成产生大尺度、高均匀度、高功率连续平面激光，并将其应用于流动测量领域，平面激光尺度最大可达1.5m，均匀度高于90%，是进行大尺度定量浓度测量的技术基础。

2、解决高速 CMOS 相机与片光源扫描系统的同步测量技术，创建一套同步、高速的图像采集（存储）系统。专用的片光源扫描平台和相机移动平台，通过高速相机和片光源同步固定速度比移动的设计方案，解决片光源高速扫描和图像采集过程中对焦图像模糊问题，保障测量区域光程和拍摄距离恒定，大幅提升图像质量，满足湍流基础研究中高频率脉动测量和工程应用中非恒定流动测量的需求。

3、采用了3DLIF标定与校正算法，建立图像智能识别、简便适用的标定与校正系统和数据库。设计了一套专用现场标定盒，通过一次扫描获得图片序列；结合软件自动图像处理，即可获取测量范围、光强分布、标定系数等一系列重要信息，在传统PLIF图像校正的基础上可修正荧光在水体中传播衰减和二次激发的影响，实现图像标定和校正的自动化和智能化。

4、解决了3DLIF测量系统集成的关键技术，形成一套兼顾理论研究和工程应用的高端流体测量设备，具备自主研发完善的配套软件和用户界面，使用便捷，可操作性强。

三、技术指标

1、无接触式诊断测量，适用于实验室环境下的水体测量和流动显示，测量空间范围：不小于0.5m×0.5m×1m，可根据用户需求拓展至2m以上尺度。

2、连续输出、宽度不小于 0.5m的矩形均匀片光源，均匀度达到90%，厚度小于 2.0mm，片光功率不低于15W。

3、高精度测量三维浓度场和温度场，浓度和温度测量分辨率分别为2×10^-4ppm和0.1℃。

4、片光扫描分间歇和连续两种模式。间歇模式可以测量多个固定断面的标量场。连续模式可以连续快速扫描和采集测量流体三维结构。

5、测量参量包括瞬时、时均、脉动。适用于一定高频率的三维湍流结构测量和工程应用中的非恒定流三维测量。

6、标定和校正快速、简单、便捷，提供专用标定和校正手册及数据库和现场标定装置。

7、可扩展性：可提供不同测量需求（相机性能、图像存储容量和片光源扫描速度）的标准配置和高级配置。可依据部署条件进行定制化开发。

四、主要应用领域

本设备可用于流体力学和水力学基础实验研究领域，可用于观测多种水体流动现象中浓度/温度的分布，包括圆管射流、异重流、圆柱绕流、温排水等多种流动现象的标量场测量。可作为标准测量工具用于水利水电领域多种物理模拟实验。

3DLIF设备具备大范围、非接触、瞬时、定量测量的能力，大大拓宽了现有 LIF测量技术的应用空间，特别适用于水体中湍流瞬时特性研究和非定常流动测量研究。本设备主要针对流 动随时间变化相对缓慢的一大类非定常流动，如天然河流和湖泊的水位涨落。非定常流动的测量，一直是科研和生产实际中的困难问题。传统的浓度场和温度场测量装置，无法获得空间三维时均浓度场和温度场，更无法测量三维的“冻结”湍流结构。对于潮汐、波浪等非定常流动，不仅需要对涡的空间尺度进行细致分辨，还需对涡的时间演化过程进行实时分辨，这就要求测量仪器须具有很高的采样频率。研究表明，要分辨出湍流的精细空间结构与变化剧烈的时间过程，必须采用空间分辨率高 、时间响应快的无接触测量仪器。本项目样机空间分辨率达到0.5mm，时间分辨率达到 2ms，满足水体中多种湍流瞬时结构测量的需求。

3DLIF 技术对于揭示流体运动规律，特别是湍流结构和非定常流动，具有重要科学意义，是目前湍流精细实验研究领域很有前景的高新技术。本设备还可用于流体力学 /水力学的教学演示，帮助学生更直观和形象地观察各种流动现象。在北京航空航天大学的应用实验中，3DLIF样机直观展示的流动现象，也吸引了大量研究生和参观人员观摩学习，具备教学价值。

3DLIF设备除了可以成为基础理论研究的测量和教学工具外，还可用于工程项目。从工程应用的角度来看，往往需要开展大量的水工模型实验，给工程设计提供科学数据。重要工程的模型实验往往几何比尺较大，以减少“缩尺效应”影响，本设备测量范围可达0.5m（当前工程样机），且已验证了合成片光和同步扫描的可行性，未来具备拓展性，可生产更大测量范围（2m或更高）的实际产品，以应对工程水工模型实验需求。

在核电站建设过程中，与火电站一样，存在着冷却水和温排水问题，也是制约核电站选择的技术因素之一。另外，核电站还存在着含核温排水的排放问题，引发社会关心。对核电站而言，科研部门需要开展含核温排水的模拟排放测量，本设备提供了快速准确测量三维温度场和浓度场（模拟核物质）的技术手段。

水电站建设中，水库温度分层问题往往对鱼类繁殖和电站运行产生影响，水流的消能防冲对电站安全产生影响。本设备能够为水库温度分层和水电站消能防冲实验室模拟提供测量工具。

在水污染防治领域，污染排放的模拟测量是制定污染排放技术标准的关键和难点。3DLIF 技术测量三维浓度场，能够解决污染排放中实验室模拟和测量这一技术难题。

五、应用案例

3DLIF样机已在北京航空航天大学陆士嘉实验室开展了实际应用测试，实际应用环境中，样机的各项功能和性能表现稳定，可以满足三维、大尺度、定量浓度场测量的需求。利用3DLIF设备，分别开展了静水圆管射流、异重流、圆柱绕流、三维平板绕流和温排水情况的浓度场（或温度场）测量。静水圆管紊动射流实验中获得的三维浓度分布时均值与经典理论吻合，瞬时值可反映射流失稳和卷吸混合过程；异重流实验可获得盐水入侵的混合过程，提取咸淡水分界面的三维结构；圆柱绕流测得流动结构与理论相符，绕流后涡街频率与理论值一致，可通过瞬时结果获得绕流涡街的生成过程；三角翼三维平板绕流实验结果于于北航已有PIV测量其他测量手段获得的流动结构基本相同，同时获得了精细化的三维流动结构；热射流温排水实验中可以获得水温分布的瞬时值和时均值脉动值，定量测量了高温水团的上浮和扩散过程。

图1 3DLIF设备应用场景布置图

图2 3DLIF设备原理图

图3 3DLIF设备硬件实物图(A)硬件整体情况；(B)高均匀度平面激光；(C)高速相机及导轨；(D)专用同步控制器。

图4 3DLIF专用软件系统(A)标定和图像采集软件截面(B)后处理软件界面。

图5  3DLIF设备典型测量结果(A) 静水圆管射流浓度场原始采集图像； (B)圆管射流瞬时三维浓度场等浓度面图像；(C) 柱坐标系下不同射流断面时均浓度场，结果均为正态分布与理论相符；(D) 异重流瞬时三维等浓度面反映盐淡水界面三维形态； (E) 圆柱绕流二维浓度场云图( Re=110 ), 展现了典型卡门涡街图像； (F) 圆柱绕流三维等浓度面测量结果展示涡街的三维结构。