非均匀沙床面颗粒运动试验研究
发布时间：2020-08-12 18:31
【摘要】：近年来,随着数字图像处理技术的发展,采用高速摄影技术获取大量颗粒的轨迹,以颗粒微观运动基本特征为基础建立基于物理过程的输移模型已成为解决推移质问题的趋势之一。本文开发了大型水槽推移质输移颗粒运动测量系统,开展了非均匀沙床面条件下推移质颗粒运动水槽试验,利用数字图像处理技术获取颗粒位置,提取颗粒轨迹,对颗粒流速、走停时间等基本参数进行了研究,取得以下主要成果：(1)在水槽下游集沙坑顶部设立绿色背景板,在水槽侧面架设摄像机,拍摄进入通过背景板的泥沙颗粒,通过对颗粒计数的方法测量进入集沙坑的实时推移质输沙率。该方法不仅可提供推移质输沙率实时测量数据,还可以对所测量的颗粒粒径、横向分布等进行进一步分析。(2)提出了在大型水槽中从顶部拍摄颗粒运动的解决方案,并开发了具体装置,主要包括：可移动式测车、垂向可调的上下游渐进式玻璃板、光照系统、顶部气泡破碎丝网、顶部拍摄孔等几个部分。试验表明,该装置可有效解决由于水面波动造成的床面颗粒拍摄不清问题,为一次性获取大量推移质颗粒运动提供了新的技术手段。(3)对边缘检测法、数学形态法及边界查找法在纯色背景条件下对泥沙颗粒的识别进行了对比研究,结果表明：数学形态法及边界查找法对于粗颗粒的识别有较好的效果,对于细颗粒则识别不足,而边缘检测法则可以同时对粗细颗粒较好的识别；进而对边缘检测法常用的几种算子(Sobel、Prewitt、Roberts、Laplacian、Log)进行了对比分析,表明Sobel算子更适合于对纯色背景泥沙颗粒识别,并对阈值选取与颗粒识别效果进行了分析；最后采用该方法获取了较为精确的纯色背景条件下的泥沙颗粒信息。(4)采用50fps摄像机对颗粒运动进行拍摄,对其中60s图像共3000帧图像中的运动颗粒进行识别,获取268个非均匀沙泥沙颗粒,近10000个颗粒空间位置坐标数据。利用上述数据对推移质颗粒运动特征进行了深入分析。(5)推移质颗粒运动状态转换频繁,在研究时段内,超过200个颗粒至少经过两次状态转换,即“静止-运动-静止-运动”,最多状态转换次数达9次；由于颗粒运动均为底部水流作用下产生,颗粒运动状态的频繁转换表明其运动过程中的沿程水流紊动结构变化剧烈。(6)推移质颗粒运动轨迹受床面大颗粒影响较大,明显有小颗粒绕大颗粒运动的现象,床面上出现有小颗粒的通行“通道”；也有部分小颗粒被大颗粒尾流所捕获,被限制在大颗粒尾流区转动。(7)对包括从“静止-运动-静止”完整颗粒运动过程的推移质运动距离进行了分析。实测非均匀沙颗粒单次运动距离最小值小于1d,最大值达166d；91%颗粒运动距离小于20d；与已有均匀沙成果相比,非均匀沙推移质颗粒单次运动距离较小,但概率密度分布与均匀沙相类似,同样符合或接近伽马分布;进一步分析表明,希尔兹参数与颗粒单次运动距离无明显相关关系。(8)对连续运动,即不断发生状态转换的颗粒运动走停时间进行了分析,结果表明,颗粒静止的时间大于其运动时间,说明多数颗粒在完成一次运动之后,均要经过一定的等待时间再开始运动,且静止等待的时间大于其运动时间。(9)非均匀沙床面条件下,底部推移质运动纵向运动速度、横向运动速度概率密度分布均遵循指数衰减率,与已有均匀沙成果基本一致。无论是以沙粒雷诺数作为对比参数,还是以希尔兹参数作为对比参数,纵向运动速度值均明显小于已有均匀沙成果,进一步表明非均匀沙床面底部大颗粒对底部水流及泥沙运动造成较大影响。(10)非均匀沙床面条件下,推移质瞬时输沙率表现出强烈的脉动特性,滑动平均分析结果表明,当时间尺度大于10秒时,所获取的推移质输沙率趋于稳定；将Ballio瞬时推移质输沙率方法拓展至非均匀沙条件,并通过试验数据进行了对比分析。将分析区进一步分区,对不同区域输沙率进行了分析,结果表明,受底部粗颗粒的影响,非均匀沙条件下床面泥沙输移表现出明显的地域特征,不同区域的输沙率具有显著不同的输移特征。
【学位授予单位】：中国水利水电科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TV142.2
【图文】：
逐渐增大水流强度，则较小粒径的泥沙首先起动并输移，在床面上留下较大的颗粒；继逡逑续加大水流条件，较大颗粒参与运动，大颗粒与大颗粒之间会形成特定较为稳定的结构，逡逑支撑颗粒不被水流冲移，同时大颗粒之间的缝隙为小颗粒创造了滞留条件，减少了小颗逡逑粒被冲走的概率，由于细颗粒被冲走，这种形成的表层稳定结构整体上级配较底层泥沙逡逑颗粒为粗，床面表层形成的保护层称之为粗化保护层；当水流条件继续X棿螅虼只ｅ义匣げ惚凰鞒逡疲氲撞隳嗌骋黄鸩斡胪埔浦试硕ｅ义虾哟渤逅⒑痛只谑导使こ讨杏凶胖匾饔茫哟渤逅⒑痛只嶂苯右鸷哟惭荼溴义衔侍狻Ｔ谔烊缓恿髦校哟渤逅⒑痛只窒笃毡榇嬖冢旱焙拥浪车忍跫⑸谋涫被徨义弦鸷哟渤逅⒍鱿趾哟泊只窒蟆Ｔ诤哟渤逅⒐讨校湛枷缚帕２斡肫鸲冉隙啵义纤孀攀奔涞难映ぃ缚帕Ｖ鸾ケ凰鞔撸哟采洗挚帕Ｖ鸾ケ┞冻隼矗采匙槌芍鸾ュ义媳浯郑杀淮叩目帕＜跎伲钪赵诤哟采闲纬杀冉衔榷ǖ目钩宕只悖准庸毯哟泊插义厦娴目钩迥芰Αｅ义虾哟泊裁娲只且桓銎毡橛质指丛拥南窒蟆Ｍ迹桑桑校祝追直鸨硎韭咽猩澈哟埠湾义仙持屎哟泊只啊⒑蟮募杜渫肌４油贾锌桑卓闯觯咽猩澈哟埠蜕持屎哟泊只缶哂绣义瞎餐奶匦裕校担荩裁娲只蟠采城饔诰龋帕＜杜淝叱氏殖觯⑻梢危⑿危杜淝咤义现写挚帕：拖缚帕＝隙啵械攘＞犊帕Ｔ蚪衔狈冢常荨ｅ义希卞遄ァⅲ掊五澹保埃埃巍巍鲥邋危卞义
本文编号：2790876
【学位授予单位】：中国水利水电科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TV142.2
【图文】：
逐渐增大水流强度，则较小粒径的泥沙首先起动并输移，在床面上留下较大的颗粒；继逡逑续加大水流条件，较大颗粒参与运动，大颗粒与大颗粒之间会形成特定较为稳定的结构，逡逑支撑颗粒不被水流冲移，同时大颗粒之间的缝隙为小颗粒创造了滞留条件，减少了小颗逡逑粒被冲走的概率，由于细颗粒被冲走，这种形成的表层稳定结构整体上级配较底层泥沙逡逑颗粒为粗，床面表层形成的保护层称之为粗化保护层；当水流条件继续X棿螅虼只ｅ义匣げ惚凰鞒逡疲氲撞隳嗌骋黄鸩斡胪埔浦试硕ｅ义虾哟渤逅⒑痛只谑导使こ讨杏凶胖匾饔茫哟渤逅⒑痛只嶂苯右鸷哟惭荼溴义衔侍狻Ｔ谔烊缓恿髦校哟渤逅⒑痛只窒笃毡榇嬖冢旱焙拥浪车忍跫⑸谋涫被徨义弦鸷哟渤逅⒍鱿趾哟泊只窒蟆Ｔ诤哟渤逅⒐讨校湛枷缚帕２斡肫鸲冉隙啵义纤孀攀奔涞难映ぃ缚帕Ｖ鸾ケ凰鞔撸哟采洗挚帕Ｖ鸾ケ┞冻隼矗采匙槌芍鸾ュ义媳浯郑杀淮叩目帕＜跎伲钪赵诤哟采闲纬杀冉衔榷ǖ目钩宕只悖准庸毯哟泊插义厦娴目钩迥芰Αｅ义虾哟泊裁娲只且桓銎毡橛质指丛拥南窒蟆Ｍ迹桑桑校祝追直鸨硎韭咽猩澈哟埠湾义仙持屎哟泊只啊⒑蟮募杜渫肌４油贾锌桑卓闯觯咽猩澈哟埠蜕持屎哟泊只缶哂绣义瞎餐奶匦裕校担荩裁娲只蟠采城饔诰龋帕＜杜淝叱氏殖觯⑻梢危⑿危杜淝咤义现写挚帕：拖缚帕＝隙啵械攘＞犊帕Ｔ蚪衔狈冢常荨ｅ义希卞遄ァⅲ掊五澹保埃埃巍巍鲥邋危卞义
本文编号：2790876
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