【摘要】：近年來,隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展,采用高速攝影技術(shù)獲取大量顆粒的軌跡,以顆粒微觀運動基本特征為基礎(chǔ)建立基于物理過程的輸移模型已成為解決推移質(zhì)問題的趨勢之一。本文開發(fā)了大型水槽推移質(zhì)輸移顆粒運動測量系統(tǒng),開展了非均勻沙床面條件下推移質(zhì)顆粒運動水槽試驗,利用數(shù)字圖像處理技術(shù)獲取顆粒位置,提取顆粒軌跡,對顆粒流速、走停時間等基本參數(shù)進(jìn)行了研究,取得以下主要成果：(1)在水槽下游集沙坑頂部設(shè)立綠色背景板,在水槽側(cè)面架設(shè)攝像機(jī),拍攝進(jìn)入通過背景板的泥沙顆粒,通過對顆粒計數(shù)的方法測量進(jìn)入集沙坑的實時推移質(zhì)輸沙率。該方法不僅可提供推移質(zhì)輸沙率實時測量數(shù)據(jù),還可以對所測量的顆粒粒徑、橫向分布等進(jìn)行進(jìn)一步分析。(2)提出了在大型水槽中從頂部拍攝顆粒運動的解決方案,并開發(fā)了具體裝置,主要包括：可移動式測車、垂向可調(diào)的上下游漸進(jìn)式玻璃板、光照系統(tǒng)、頂部氣泡破碎絲網(wǎng)、頂部拍攝孔等幾個部分。試驗表明,該裝置可有效解決由于水面波動造成的床面顆粒拍攝不清問題,為一次性獲取大量推移質(zhì)顆粒運動提供了新的技術(shù)手段。(3)對邊緣檢測法、數(shù)學(xué)形態(tài)法及邊界查找法在純色背景條件下對泥沙顆粒的識別進(jìn)行了對比研究,結(jié)果表明：數(shù)學(xué)形態(tài)法及邊界查找法對于粗顆粒的識別有較好的效果,對于細(xì)顆粒則識別不足,而邊緣檢測法則可以同時對粗細(xì)顆粒較好的識別；進(jìn)而對邊緣檢測法常用的幾種算子(Sobel、Prewitt、Roberts、Laplacian、Log)進(jìn)行了對比分析,表明Sobel算子更適合于對純色背景泥沙顆粒識別,并對閾值選取與顆粒識別效果進(jìn)行了分析；最后采用該方法獲取了較為精確的純色背景條件下的泥沙顆粒信息。(4)采用50fps攝像機(jī)對顆粒運動進(jìn)行拍攝,對其中60s圖像共3000幀圖像中的運動顆粒進(jìn)行識別,獲取268個非均勻沙泥沙顆粒,近10000個顆粒空間位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)。利用上述數(shù)據(jù)對推移質(zhì)顆粒運動特征進(jìn)行了深入分析。(5)推移質(zhì)顆粒運動狀態(tài)轉(zhuǎn)換頻繁,在研究時段內(nèi),超過200個顆粒至少經(jīng)過兩次狀態(tài)轉(zhuǎn)換,即“靜止-運動-靜止-運動”,最多狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)達(dá)9次；由于顆粒運動均為底部水流作用下產(chǎn)生,顆粒運動狀態(tài)的頻繁轉(zhuǎn)換表明其運動過程中的沿程水流紊動結(jié)構(gòu)變化劇烈。(6)推移質(zhì)顆粒運動軌跡受床面大顆粒影響較大,明顯有小顆粒繞大顆粒運動的現(xiàn)象,床面上出現(xiàn)有小顆粒的通行“通道”；也有部分小顆粒被大顆粒尾流所捕獲,被限制在大顆粒尾流區(qū)轉(zhuǎn)動。(7)對包括從“靜止-運動-靜止”完整顆粒運動過程的推移質(zhì)運動距離進(jìn)行了分析。實測非均勻沙顆粒單次運動距離最小值小于1d,最大值達(dá)166d；91%顆粒運動距離小于20d；與已有均勻沙成果相比,非均勻沙推移質(zhì)顆粒單次運動距離較小,但概率密度分布與均勻沙相類似,同樣符合或接近伽馬分布;進(jìn)一步分析表明,希爾茲參數(shù)與顆粒單次運動距離無明顯相關(guān)關(guān)系。(8)對連續(xù)運動,即不斷發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換的顆粒運動走停時間進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,顆粒靜止的時間大于其運動時間,說明多數(shù)顆粒在完成一次運動之后,均要經(jīng)過一定的等待時間再開始運動,且靜止等待的時間大于其運動時間。(9)非均勻沙床面條件下,底部推移質(zhì)運動縱向運動速度、橫向運動速度概率密度分布均遵循指數(shù)衰減率,與已有均勻沙成果基本一致。無論是以沙粒雷諾數(shù)作為對比參數(shù),還是以希爾茲參數(shù)作為對比參數(shù),縱向運動速度值均明顯小于已有均勻沙成果,進(jìn)一步表明非均勻沙床面底部大顆粒對底部水流及泥沙運動造成較大影響。(10)非均勻沙床面條件下,推移質(zhì)瞬時輸沙率表現(xiàn)出強(qiáng)烈的脈動特性,滑動平均分析結(jié)果表明,當(dāng)時間尺度大于10秒時,所獲取的推移質(zhì)輸沙率趨于穩(wěn)定；將Ballio瞬時推移質(zhì)輸沙率方法拓展至非均勻沙條件,并通過試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析。將分析區(qū)進(jìn)一步分區(qū),對不同區(qū)域輸沙率進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,受底部粗顆粒的影響,非均勻沙條件下床面泥沙輸移表現(xiàn)出明顯的地域特征,不同區(qū)域的輸沙率具有顯著不同的輸移特征。
【學(xué)位授予單位】：中國水利水電科學(xué)研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TV142.2
【圖文】：

逐漸增大水流強(qiáng)度，則較小粒徑的泥沙首先起動并輸移，在床面上留下較大的顆粒；繼逡逑續(xù)加大水流條件，較大顆粒參與運動，大顆粒與大顆粒之間會形成特定較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，逡逑支撐顆粒不被水流沖移，同時大顆粒之間的縫隙為小顆粒創(chuàng)造了滯留條件，減少了小顆逡逑粒被沖走的概率，由于細(xì)顆粒被沖走，這種形成的表層穩(wěn)定結(jié)構(gòu)整體上級配較底層泥沙逡逑顆粒為粗，床面表層形成的保護(hù)層稱之為粗化保護(hù)層；當(dāng)水流條件繼續(xù)X棿�，则粗化保辶x匣げ惚凰鞒逡�，託枳层泥沈G黃鴆斡臚埔浦試碩�。辶x蝦喲渤逅⒑痛只謔導(dǎo)使こ討杏兇胖匾饔�，簡巡冲刷和粗化会直接引弃v喲慚荼溴義銜侍�。灾@烊緩恿髦�，簡巡冲刷和粗化现虾V氈櫬嬖冢旱焙擁浪車忍跫⑸謀涫被徨義弦鷙喲渤逅⒍魷趾喲泊只窒蟆Ｔ諍喲渤逅⒐討�，刚开始峡`帕２斡肫鴝冉隙�，辶x纖孀攀奔淶難映�，峡`帕Ｖ鸞ケ凰鞔擼喲采洗摯帕Ｖ鸞ケ┞凍隼�，床沙组成蛀[ュ義媳浯鄭殺淮叩目帕＜跎�，租傏w諍喲采閑緯殺冉銜榷ǖ目鉤宕只�，�(zhǔn)庸毯喲泊插義廈嫻目鉤迥芰�。辶x蝦喲泊裁媧只且桓銎氈橛質(zhì)指叢擁南窒�。哇E桑桑校祝追直鴇硎韭咽猩澈喲埠灣義仙持屎喲泊只�、后的级配图。从唾Z鋅桑卓闖觶咽猩澈喲埠蛻持屎喲泊只缶哂繡義瞎餐奶匭裕校擔(dān)藎裁媧只蟠采城饔誥齲帕＜杜淝叱氏殖觶⑻梢危⑿�，级配曲线辶x現(xiàn)寫摯帕：拖縛帕＝隙�，而中等粒緺倥粒则姐暘泉N冢常蕁ｅ義希卞遄�、＾逦邋１００，逦—逦■堝逦１辶x

本文編號：2790876