[科普中国]-模型水轮机

简介

随着水轮机技术的进步，人们对于水轮机的内、外特性认知程度也有了极大提升，随之而来是人们对于水轮机高效率追求的同时也对其稳定性提出了更高的要求。

空化是影响水轮机水力稳定性的重要因素，模型水轮机空化以及空化范围的判定主要还依靠观测的方式进行。

模型水轮机成像观测是指对模型水轮机转轮叶片的初生空化、间隙空化、叶道涡和脱流等空化现象的图像观测试验，以此来确定水轮机模型转轮的空化性能。随着人们对于水轮机稳定性要求的提高，对于空化发生位置及范围界定的精确程度要求也越来越高；如转轮叶片出水边初生空化状态的确定，转轮室内部叶道涡及脱流初生线的确定等。

此外，随着人们对于水轮机水力性能研究的深入以及模型测试技术的进步，成像观测方法和手段相应的提升也是势在必行，如准确低观测空化现象发生位置可以指导水力设计者对转轮叶片型线的优化；对于在模型试验过程中出现的特殊水力现象，尤其是对当前认知水平下无法解释的珍贵影像资料进行清晰记录与长期保存，日后对其深入研究和分析可以促进水轮机研究的进步等。

由此可见，模型水轮机的成像观测在模型试验中的地位越来越重要，在未来的试验中，无论是指导水轮机水力性能优化还是对新水力现象的分析与研究，成像观测都将发挥着越来越重要的作用1。

成像观测原理与现有方法的缺陷传统的成像观测方法通常是以人工观测法为主，该方法的主要原理是依据人眼的视觉暂留现象。试验时，试验人员借助频闪光源，调节光源的闪光频率至与转频相同或相近连续闪光，在视觉暂留效应的作用下，观测者便得到一系列的模型转轮观测图像序列，人脑将此图像序列按照时间先后连接在一起，便使得试验人员看到一幅模型转轮“静止”或“缓慢”变化的画面，完成观测试验。从本质上讲，人眼借助频闪光源进行成像观测并未实现与转频“同步”，实质上只是频闪光源自身实现与转频的同步，观测试验的完成完全是通过大脑对图像的后期编辑实现的，也就是说试验人员与光源是两套独立的系统。此外，由于成像观测的过程通常较长，人眼长时间暴露在强光源下，极其容易产生视觉疲劳，观测结果的准确性容易受到影响，同时也易对人眼造成损伤，而且观测到的图像现象也无法以视频的形式存储下来，只能通过试验者记忆来描述，带有主观性。

以摄像机为核心的成像观测系统的出现弥补了成像结果无法记录的缺陷，系统以磁带和录像机为存储媒介，实现了对观测到的视频资料的保存。可是磁带存储内容有限且难于长期保存，高清数字摄像机的出现虽然解决了存储问题。但是由于摄像机本身是采用固定帧率进行拍摄的成像设备，失去了人脑的“后期编辑”功能，图像采集与光源系统相当于也是分立系统，成像时两套系统存在着频率差异，即使偶尔频率一致时拍摄也存在相位差，摄像机也无法与频闪光源同时曝光成像，导致得到的图像帧序列明暗交替，即便采用高分辨率的高清数字摄像机也很难得到清晰的影像，分析时很难准确确定产生空化的位置信息，不足以对空化现象的研究以及模型转轮优化设计提供有效支持。

同步成像观测系统无论是人工观测还是使用摄像机成像观测，其最大的缺陷在于：成像设备均与频闪光源是相对独立的两套系统，两套设备的动作不同步。因此，要解决成像观测的核心问题是首先解决如何“同步”的问题。所谓的“同步”是指成像设备动作与频闪光源动作的一致性，即两套系统动作的频率相同，相位一致。因此，需要将原有的两套系统有效地集成到一个系统中去，使得系统具有统一的触发信号源，控制频闪仪和成像设备同步动作完成成像观测2。

成像观测系统同步方法及系统构成随着数字电子技术的发展，基于 CCD和CMOS传感器的数字高清相机、数字高清摄像机甚至数字高速高清摄像机大量涌现；而计算机应用技术的快速进步及处理器运算能力的飞速提升，使得这些成像设备在提升了成像质量的同时也提高了成像速度，减小了设备体积，而这些成像设备具有接口丰富，成像清晰，数据传输可靠等优点，为成像系统研制提供了必要条件。

利用数字式高清工业相机的拍摄帧率可程控以及频闪光源的闪光频率可外部信号控制的特点设计模型水轮机空化成像观测系统。

模型水轮机成像观测系统由主控计算机、成像相机、频闪光源和网络交换机组成。主控计算机通过程序设置成像相机的拍摄帧率，控制相机拍摄频率与模型水轮机的转频相同或相近。相机在以程序指定频率控制快门动作的同时通过触发电路向频闪光源发出触发脉冲信号，频闪光源接收到触发脉冲信号后立即闪光，为相机成像提供光源。相机在频闪光源闪光的同时完成曝光得到一副完整的图像后，将图像信息从网络接口传回主控计算机，计算机通过软件将接收到的图像信息按时间序列合成流媒体视频，得到水轮机模型转轮相对静止或缓慢转动的视频流媒体文件，从而模拟人眼和大脑成像观测时的状态进行成像观测。

总结同步数字成像观测系统已在大电机研究所各高水头水力试验台成功应用，在白鹤滩，乌东德、丰满改造等重大项目水力性能研发中起到重要作用。模型水轮机同步数字成像观测方法的提出及观测系统的成功研制首次实现了：

（1）将图像采集系统与频闪光源的真正有效地集成为一套系统，在系统运行的时序上实现了真正的同步运行；

（2）成像观测系统实现了远程控制，可以使观测者在控制室完成空化观测试验的全部操作，摆脱了人工现地观测的落后方式；

（3）从图像采集、数据传输到存储实现了模拟到数字化的飞跃，观测数据易于长期保存与管理；

（4）实现了模型水轮机观测系统远程控制和观测影像异地实时共享，图像的异地共享便于不同研究者异地同时研究3。