基于粒子图像测速系统PIV的砂箱模拟实验方法研究与实例分析

第２８卷　第２期２０１４年４月现　代　地　质ＧＥＯＳＣＩＥＮＣＥＶｏｌ２８　Ｎｏ２Ａｐｒ２０１４基于粒子图像测速系统（ＰＩＶ）的砂箱模拟实验方法研究与实例分析董周宾１，２，３，颜丹平１，２，张自力４，许延波１，２，５，邱　亮１，２，朱鲁涛１，２（１中国地质大学（北京）地球科学与资源学院，北京　１０００８３；２中国地质大学（北京）地质过程与矿产资源国家重点实验室，北京　１０００８３；３山东省鲁南地质工程勘察院，山东兖州　２７２１００；４中国地质大学（北京）数理学院，北京　１０００８３；５山东黄金地质矿产勘查有限公司，山东莱州　２６１４００）　　收稿日期：２０１３０６０３；改回日期：２０１３１０２３；责任编辑：楼亚儿。　　基金项目：国家自然科学基金项目（４１１７２１９１，４１３７２２１２）；高等学校博士学科点专项科研基金项目（２０１２００２２１１００１３）。　　作者简介：董周宾，男，硕士研究生，１９８９年出生，构造地质学专业，主要从事构造地质和物理模拟研究。Ｅｍａｉｌ：ｄｏｎｇｚｈｏｕｂｉｎ＠１６３ｃｏｍ。　　通信作者：颜丹平，男，教授，博士生导师，１９６３年出生，构造地质学专业，主要从事构造地质学的教学与科研工作。Ｅｍａｉｌ：ｙａｎｄｐ＠ｃｕｇｂｅｄｕｃｎ。摘要：粒子图像测速系统（ＰＩＶ），是指利用高分辨率相机获得一系列图像，再通过一系列计算分析得到图像上各点的速度矢量，从而获取运动对象速度场的无扰动流场测量技术系统。ＰＩＶ已经被应用于中国地质大学（北京）构造模拟实验室的砂箱构造物理模拟实验中。详细介绍了利用ＰＩＶ监测和记录砂箱模拟实验的过程，以及监测的各项参数———砂粒运动速率、切应变率、涡度等的数据处理和计算流程与方法，并应用实例分析说明了上述数据处理结果应用于构造变形几何学、运动学和动力学的定量模拟研究方法，模拟结果对于解释构造变形过程和机制具有重要的意义。关键词：砂箱模拟；ＰＩＶ；数据处理方法；构造定量化中图分类号：Ｐ５４　　　　　　文献标志码：Ａ　　　　　　文章编号：１０００－８５２７（２０１４）０２－０３２１－１０ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＭｅｔｈｏｄｓｏｆＳａｎｄｂｏｘＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＣａｓｅＳｔｕｄｙＢａｓｅｄｏｎＰａｒｔｉｃｌｅＩｍａｇｅＶｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ（ＰＩＶ）ＤＯＮＧＺｈｏｕｂｉｎ１，２，３，ＹＡＮＤａｎｐｉｎｇ１，２，ＺＨＡＮＧＺｉｌｉ４，ＸＵＹａｎｂｏ１，２，５，ＱＩＵＬｉａｎｇ１，２，ＺＨＵＬｕｔａｏ１，２（１ＳｃｈｏｏｌｏｆＥａｒｔｈＳｃｉｅｎｃｅｓａｎｄＲｅｓｏｕｒｃｅｓ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｃｈｉｎａ；２ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＰｒｏｃｅｓｓｅｓａｎｄＭｉｎｅｒａｌＲｅｓｏｕｒｃｅｓ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｃｈｉｎａ；３ＳｈａｎｄｏｎｇＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＬｕｎａｎＧｅｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｙａｎｚｈｏｕ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　２７２１００，Ｃｈｉｎａ；４ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｈｅｍａｔｉｃｓａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｃｈｉｎａ；５ＳｈａｎｄｏｎｇＧｏｌｄＧｅｏｌｏｇｙａｎｄＭｉｎｅｒａｌＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎＬｉｍｉｔｅｄＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｌａｉｚｈｏｕ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　２６１４００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＰＩＶ，ｔｈｅａｂｂｒｅｖｉａｔｉｏｎｏｆＰａｒｔｉｃｌｅＩｍａｇｅＶｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙｓｙｓｔｅｍ，ｉｓａｍｅａｓｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｏｕｔｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄ．Ｗｅｕｓｅｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｔｏｔａｋｅｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｉｍａｇｅｓａｎｄｇｅｔｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｆｉｅｌｄｂｙｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｖｅｃｔｏｒｓｏｆｅｖｅｒｙｐｏｉｎｔｏｎｔｈｅｉｍａｇｅ．ＴｈｅＰＩＶｈａｓｂｅｅｎｉｎｓｔａｌｌｅｄａｎｄａｐｐｌｉｅｄｔｏｓａｎｄｂｏｘｍｏｄｅｌｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｉｎＴｅｃｔｏｎｉｃＭｏｄｅｌｉｎｇＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ（Ｂｅｉｊｉｎｇ）．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｄａｔａｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｒｅｃｏｒｄｉｎｇｄｕｒｉｎｇｓａｎｄｂｏｘｍｏｄｅｌｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ａｓｗｅｌｌａｓｄａｔａｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｅｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓｏｆｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓａｎｄｇｒａｉｎｍｏｖｉｎｇｖｅｌｏｃｉｔｙ，ｓｈｅａｒｓｔｒａｉｎｒａｔｅ，ｖｏｒｔｉｃｉｔｙａｎｄｓｏｏｎ．Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｌｇｅｏｍｅｔｒｙ，ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓａｎｄｄｙｎａｍｉｃｓｕｓｉｎｇａｂｏｖｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｓｔｈｅｎｕｓｅｄｗｉｔｈｅｘａｍｐｌｅｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｐｌａｙａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｗｅｌｌｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓａｎｄｂｏｘｍｏｄｅｌｉｎｇ；ＰＩＶ；ｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ；ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌａｎａｌｙｓｉｓ０　引　言砂箱构造物理模拟实验能够帮助地质学家直接观察构造变形过程，从而对比分析构造形成机制和演化过程［１－２］。通过砂箱构造物理模拟实验，可以再现构造变形过程，建立科学合理的构造解释模型，这是研究构造地质学浅层构造变形的一种有效正演手段［３－５］。目前对砂箱构造物理模拟实验结果的处理，大多是通过解释不同伸缩率条件下得到的相机照片，对断层、褶皱等及其相互关系进行定性或者半定量的描述［６－１０］，进而得到相关结论。在以往的砂箱模拟实验过程中，由于无法获得砂粒的运动速度、切应变率、涡度等运动参数，其研究总体处于定性或者相对较低程度的定量化研究阶段，难以充分体现出砂箱模拟实验的优势。因此，恰当运用定量技术，提高砂箱构造物理模拟实验的精细化程度极为关键。中国地质大学（北京）构造模拟实验室将粒子图像测速系统（ＰＩＶ）应用到砂箱构造物理模拟实验中，实现了对其实验过程的全程监测，可以得到砂粒瞬时的运动速度、切应变率、涡度，以及各层位的应变变化过程等，从而有助于实现对构造几何形态、空间分布规律的研究，这对于分析构造变形过程中物质的运动方式、形成机制和演化规律，进行定量化的解释，具有重要的科学意义。本文在一系列砂箱模拟实验基础上详细介绍了ＰＩＶ监测的原理、方法和流程，并阐述了监测数据结果，如砂粒运动速度、切应变率、涡度等运动参数的计算处理流程和方法。通过引入砂箱构造物理模拟实验实例，对数据计算与处理结果进行了合理解释和验证，以期为实验和研究人员借鉴。１　ＰＩＶ原理及其在砂箱构造物理模拟实验中的监测过程１１　ＰＩＶ原理ＰＩＶ通过在流场中布撒大量示踪粒子（小于１０μｍ甚至ｎｍ级）跟踪流场运动，使用数字相机同步拍摄流场照片，得到前后两帧粒子图像用于计算粒子位移，对其进行互相关计算得到流场一个切面内的速度场分布［１０－１６］，进一步计算可得到切应变率、涡度等各种流场运动参数分布。传统的流场测速方法，比如热线热膜流速计（ＨＷＦＡ）属于接触式测量，对流场干扰较大，影响测量精度［１７］；多普勒测速系统（ＡＤＶ）只能实现单点测量，而且是接触式测量［１６－１７］，不能满足砂箱模拟实验全场、动态、非接触测量的实验要求。ＰＩＶ技术是２０世纪８０年代初根据流体力学学科而迅速发展起来的一种流动测量与显示技术，它突破了传统流动测量方法的局限，在对流场不产生干扰的基础上，实现非接触、无扰动、瞬时、动态、全流场的测量，可以得到一个切面内甚至整个流场的速度场分布，具有较高的测量精度和分辨率，是一种非常有发展前景的流场测速技术［１８－１９］。近年来，ＰＩＶ才被应用到砂箱构造物理模拟实验中。根据Ｗｈｉｔｅ［１０－１１］和Ａｄａｍ［１２］等的研究，利用ＰＩＶ研究砂箱构造物理模拟实验，比传统定性或半定量基于图像的描述性处理方法更具优势，可根据其计算得到的速度、切应变率、涡度等分析砂粒运动方式和应变积累，有利于我们研究构造变形过程和机制。１２　ＰＩＶ在砂箱构造物理模拟实验中的监测过程中国地质大学（北京）构造模拟实验室充分利用ＰＩＶ系统的非接触、无扰动、瞬时、动态、全流场的性能，将其应用到砂箱构造物理模拟实验中，其监测过程如下。１２１　安装ＣＣＤ（电荷耦合器件）相机及镜头将ＣＣＤ相机安装在相机架上，连接好ＣＣＤ相机的电源线以及ＣＣＤ与计算机图像板之间的数据线；将相机架或三脚架放置于砂箱模拟实验平台前侧，并将之调整至合适的高度、角度，以便砂箱研究区域图像的采集；把ＣＣＤ相机激光片光厚度调整至１ｍｍ左右，并用片光照射砂箱侧面研究区域，保持ＣＣＤ相机视角的水平状态，并且在图像采集区域放置合适大小的比例尺，为采集图像与其实际尺寸之间的转换比例提供依据。１２２　开机运行软件开机运行北京立方天地科技发展有限公司开发的ＭｉｃｒｏＶｅｃ软件，点击“硬件控制”，调出“相机控制”，通讯端口选择“ＣａｍＬｉｎｋ”（图１）。检测通过后可进行下一步工作，否则需要重新进行ＣＣＤ相机的电源线以及ＣＣＤ与计算机图像板之间数据线的连接。１２３　测量系统对焦将“相机控制”菜单中的“工作模式”选择为“连续模式”，点击“图像”菜单下的“实时显示图像”命令，“曝光时间控制”选择为“自动调整”；把ＣＣＤ相机镜头光圈调整至合适大小，直到将实２２３现　代　地　质２０１４年　图１　硬件控制窗口Ｆｉｇ１　Ｗｉｎｄｏｗｏｆｈａｒｄｗａｒｅｃｏｎｔｒｏｌ时显示图像调整清楚为止。１２４　图像记录打开“硬件控制”下的“图像记录”窗口，输入“开始位置”与“截止位置”的数值，比如分别输入“１”和“１０００”，表示总共采集１０００张图像；“高级设定”中输入采集图像间隔时间，比如输入“１ｍｉｎ”，表示每隔１ｍｉｎ采集记录一张图像；通过“硬盘图像存储设定”窗口下的“指定位置”设置记录到计算机硬盘所在目录，其默认图像序列标号为００００００００１～０００００１０００；运行砂箱构造物理模拟实验系统后，点击“图像记录”中的“记录”菜单，开始监测并记录砂箱构造物理模拟实验的过程，监测记录过程中务必保持ＣＣＤ相机位置的稳定。２　ＰＩＶ监测结果的数据处理与参数计算ＰＩＶ系统对砂箱构造物理模拟实验的监测结果以图像的形式记录到计算机硬盘中，对比前后两张粒子图像，通过迭代计算分析，得到砂粒的运动速度、切应变率、涡度等运动参数，其数据处理与参数计算过程如下。２１　读入粒子图像运行ＭｉｃｒｏＶｅｃ软件，选择“打开图像序列”窗口，将一定数量的实验图像读入到图像缓存区中，注意保持读入图像序列标号的连续性，否则将影响处理结果的质量。２２　图像标定点击“数字标尺”窗口，取消“显示矩形区域”选项，在读入图像中按着鼠标左键沿着比例尺画一条线，并在长度参数中输入所绘制直线的实际长度，单位一般为ｍｍ；在“跨帧时间”中输入所需处理两张图像的时间间隔，点击“图像放大率”，确保输出结果均使用实际长度单位和速度单位；点击“显示矩形区域”，用鼠标左键选择读入图像的砂箱研究计算区域；点击“锁定标尺”，使得数据处理过程中比例标尺不用重复标定（图２）。图２　数字标尺窗口Ｆｉｇ２　Ｗｉｎｄｏｗｏｆｔｈｅｄｉｇｉｔａｌｒｕｌｅｒ２３　ＰＩＶ计算批处理在对大量图像进行ＰＩＶ批处理之前，需要对一组图像进行预计算，以便为ＰＩＶ计算批处理计算提供相关计算参数，通