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张洋

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【学术成果】一篇通讯作者文章在国际学术期刊Exp Fluids上发表
发布时间:2018-03-01    点击次数:

发布时间:2018-03-01

文章标题:【学术成果】一篇通讯作者文章在国际学术期刊Exp Fluids上发表

内容:

 

基于VD技术的三维粒子追踪测速算法

引用格式

Cui YT, Zhang Y, Jia P, et al (2018) Three-dimensional particle tracking velocimetry algorithm based on tetrahedron vote. Exp Fluids 59:31

 

Fig. The Three-dimensional jet flow reconstructed by PTV algorithm proposed in this paper

 

背景阅读

粒子追踪测速(Particle Tracking Velocimetry)技术基于拉格朗日视角,通过匹配跨帧粒子来定量重构瞬时流场及粒子轨迹,是从运动学分析通向动力学分析的重要桥梁,近年来在越来越多的力学问题中得到了应用,如气固两相流动[Zhang 2016]、固体弹性形变[Boltyanskiy 2017]和生物流动[Brevis 2011]等。而随着流动的日趋复杂化,PTV的鲁棒性亟待加强,实验中对于测量结果(如维度)丰富性的要求也在提高。相应地,通过多相机系统已经能够重构并输出中度数量(小于10000)的三维粒子瞬时坐标,如V3V[Hill 2008]系统。V3V系统采用基于松弛迭代的NRX算法[Ohmi 2000]进行粒子匹配。NRX的雏形是计算机视觉领域中的运动识别算法[Barnard 1980],随后被引入粒子流动分析领域[Baek 1996],并在进一步优化之后形成了目前的NRX。其准确率较高,但是由于存在迭代结构,其计算速率较低,且预设参数较多,用户友好性较低;更为重要的是,这两点不足都不利于处理非定常流动图像序列的海量数据。结合非结构化Delaunay网格的NRX算法[Jia 2013, 2015]一定程度上提高了算法速率。

有一类基于粒子丛概念所发展出的PTV算法,即以局部粒子团作为最小匹配单元。早期有弹簧模型PTV[Okamoto 1995]和速度梯度张量PTV[Ishikawa 2000],这两种算法的问题在于,随着流场的变化,粒子团大小难以界定。为了解决这一问题,[Song 1999]提出了基于Delaunay网格划分的DT-PTV,将离散点连接成互不重叠的三角形,从而产生了从三角匹配到粒子匹配的双层匹配结构;[Zhang 2014]将此算法推广到了三维情况。为了克服在粒子浓度较高时三角形的趋同性问题,[Zhang 2015]又发展出了VD-PTV,即采用Delaunay网格的对偶结构Voronoi网格实现匹配。这样一来,算法再次回到了单层匹配结构,而且相比三角形,多边形匹配单元的特异性更强;这两点使得VD-PTV的鲁棒性明显优于DT-PTV。然而,VD-PTV中需要步进旋转多边形以获得最为有效的相关性系数。这不但影响了算法的速率,也使得算法难以拓展到多一个自由度的三维情况中去。本文通过引入Delaunay四面体群选举机制再度实现了DTPTV的三维化,得到了准确率与NRX相当、计算速率更高的PTV,并通过尾迹流实验证明了此算法的有效性。

 

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