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坡面薄层水流滚波影响因素的试验构建

发表时间：2020/12/15 来源：《基层建设》2020年第24期作者：杨文红

[导读] 摘要：为研究坡面薄层水流滚波的变化过程及影响因素，采用多功能变坡水槽试验，定床阻力和PIV测量技术，研究5种糙度、5种能坡、5种单宽流量条件下滚波水力参数的变化规律。

        兰州交通大学甘肃兰州 730070
        摘要：为研究坡面薄层水流滚波的变化过程及影响因素，采用多功能变坡水槽试验，定床阻力和PIV测量技术，研究5种糙度、5种能坡、5种单宽流量条件下滚波水力参数的变化规律。一种有效准确的测量方式是研究分析坡面薄层水流滚波的前提。由自动化、高精度的PIV测量系统，构建坡面薄层水流特性参数测量。PIV（粒子图像测速）是一种图像互相关分析的无接触式瞬时测量系统。随着粒子图像测速技术的改进为二维平面瞬时流场的可视化提供了有力的技术支持。光学测量技术能够避免其他接触测量方法中的流场干扰问题，操作简单，可重复性强是今后发展的方向。
        关键词：坡面流；滚波；PIV；示踪粒子
        1 引言
        坡面流既是流域水文过程中最基本的组成要素，也是坡面土壤侵蚀问题的主要动力来源［1］目前，坡面薄层滚波流的研究主要为水动力学的研究［2-5］以及坡面泥沙输运的研究［6-7］，坡面薄层水流厚度只有几毫米，水力条件复杂。一般在明渠水力学中，Re和Fr是区别水流流态的重要特征参数。但在坡面薄层水流中，层流和紊流似乎并不能严格区分。本文通过浙江大学多功能变坡水槽试验，采用PIV测量系统对坡面薄层水流滚波进行实时观测，探究坡面薄层滚波的产生过程和变化规律，为坡面土壤流失的研究奠定一定的理论基础。
        2 材料与方法
        2.1 试样材料及主要仪器
        坡面薄层水流中的示踪粒子为PSP，石英砂均经过5mm分筛筛分成粒径为5mm烘干备用。
        主要仪器：电源、激光发生器、冷却器、CCD相机、同步器、主机
        2.2 坡面薄层水流装置
        实验装置采用浙江大学多功能变坡水槽。实验装置如图1。

        图1   多功能实验水槽
        2.3 实验方法
        实验底坡设置为 1°、2°、3°、4°、5°。及能坡S为0.0175、0.0349、0.1523、0.0698、0.0872。通过不同的能坡条件下的预实验大致确定水深区间之后，设计水深最终定为1.60cm、1.30cm、1.00cm、0.70cm、0.40cm共进行25组试验。
        为避免水槽低部的反光造成的干扰，试验下垫面选用光滑的黑色贴纸。本次试验设置9个观测断面，观测断面间距为0.03m。采用人工测量法和PIV系统对试验进行观测，人工测量需用实验槽配套的测针仪（精度为0.01mm）测量水槽水深。
        2.2 PIV测量系统和测定原理
        PIV系统主要由激光控制路系统、采集系统、PIV同步控制系统及图象处理系统4个部分组成，其PIV
        测量系统工作原理为：在待测流场内均匀地散布一定密度的示踪粒子，利用激光通棱镜反射形成片光照射待测流场，然后由CCD相机采集两次或屡次曝光的粒子图像，最终由图像处理系统对粒子图像对进行分析处理［8］，获得由检测区域粒子沿x轴和y轴方向的平均速度，即可近似为流场的瞬时速度，从而得到整个流场瞬时切面的速度矢量分布图。PIV的系统结构及工作原理及测试原理图如图2、图3所示.

        图2

        图3
        由于PIV测量系统是瞬时实现的图像采集，这就要求相机及激光发生器之间的紧密联系。PIV同步控制系统的作用有：管制激光发生器发生激光的时间∆t，管制照相机采集图像数等。同步控制系统是相机和激光发生器协同运行的中央控制室，在PIV测量系统计算机软件中通过对相应参数进行设置。
        2.3 示踪粒子的要求
        示踪粒子是直接反映流场流动的载体，要满足一定的物理性质和化学性质。在循环运动流场中添加示踪粒子，经过两次时间间隔，示踪粒子的图像被CCD相机采集。经过图像软件处理，得到流场速度分布图。在选取示踪粒子时要考虑周到示踪粒子密度要与流体密度相等；示踪粒子粒径要小。示踪粒子的追随性就是示踪粒子的速度是否代表流体的运动速度，从以下几个方面阐述。
        （1）照应时间

式左边表示示踪颗粒质量速度，右边表示运动粒子受到Stokes阻力流体动力粘度，由（1.3.1）式得

        通过10τ的时间，可以认为示踪粒子的运动变化就可以代表流体运动时速度的变化［9］。
        （2）沉降速度
        本实验选用PSP示踪粒子的密度比流体的密度大，只考虑示踪粒子受到的阻力、浮力及本身重力。根据Stokes阻力公式，导出阻力公式为：
                                      （1.3.3）
        示踪粒子浮力和重力的合力为：

（3）纵向速度相对误差

        经过对示踪粒子的照应时间、沉降速度和纵向速度相对误差的三项评价，更能阐明本实验所选用的PSP示踪粒子是正确的。
        3    结果与结论
        3.1   流速测量系统标定结果
        PIV的流动测速技术，可实现微尺度流场无扰、整场、瞬时及高分辨率测量，现已成为微尺度流场最重要、最有效的测量手段［10］。
        （1）图片获取：将标定直尺竖直立于网格絮凝池中与激光面重合，与镜头对正，用CCD相机调焦至最清晰状态，拍摄网格絮凝池中的标定尺并进行标定。
        （2）标定过程：照相——获得照片——setup——field of view 框——measure ——browse选择照片——在下部打开的照片中选择A.B点（AB点的坐标值会同时显示）——将AB点之间的实际值输入到ABS.distence框中，在Scale factor框中即会显示出其比尺大小。另外在field of view框中，也能显示比尺大小和实际测量流场的实际尺寸（object size）。
        激光头的标定距离（激光发生器发出的激光打到水槽底部与水槽壁的距离）30、60、90、120、150、180、210、240、270mm，步长为30mm。标定距离通过直尺和游标卡尺确定，精度分别为0.1和0.01mm，通过水准尺测定确保水槽底部水平。为避免温度变化给实验造成影响，随时记录水箱和室内的温度
        3.2 系统测量结果
        从试验现象可以观察到，滚波在坡度和流量恒定条件下，通过观测断面水流表面在无规则的流动。采用piv测量系统可以有效的捕捉到水流状态。可以实现坡面薄层水流滚波的实时观察，PIV测量系统设计合理，操作方便和自动化程度高，具有良好的精确性和稳定性，能够客观的反映各要素对坡面薄层水流滚波的影响。
        参考文献：
        [1]申红彬，徐宗学，张书函.流域坡面汇流研究现状评述[J].水科学进展，2016，27（3）：467-475.
        [2]杨苗，张宽地，龚家国，赵勇，王浩，范典.坡面薄层水流滚波演变规律试验研究[J].农业机械学报，2016，47（10）：156-163.
        [3]姚文艺.坡面流阻力规律试验研究[J].泥沙研究，1996（01）：74-82
        [4]张宽地，王光谦，吕宏兴，王占礼，刘俊娥.模拟降雨条件下坡面流水动力学特性研究[J].水科学进展，2012，23（02）：229-235.
        [5]吴普特，周佩华.坡面薄层水流流动型态与侵蚀搬运方式的研究[J].水土保持学报，1992（01）：19-24+39.
        [6]魏霞，李勋贵，李占斌，沈冰.黄土高原坡沟系统径流水动力学特性试验[J].农业工程学报，2009，25（10）：19-24
        [7]李光录，吴发启，庞小明，赵小风.泥沙输移与坡面降雨和径流能量的关系[J].水科学进展，2008，19（06）：868-874.
        [8]程剑吉，王亚东，陈翔，等．基于散乱点云的网格生成方法在Ｒhino 平台上的实现［J］．南昌工程学院学报，2017，36（01）：60 －63
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        [10]陈根华，詹斌，王海龙，罗晓萱.粒子图像测速发展综述[J].南昌工程学院学报，2019，38（03）：90-96.
        作者简介：
        杨文红（1993—），男，硕士研究生，主要从事流体力学方面的学习与研究。