采用三维粒子示踪测速技术，通过分别改变示踪粒子的粒径、比重以及水力比降等条件，观测了10种不同水沙条件下推移质颗粒的三维运动。对推移质颗粒的平均运动规律进行统计分析，探讨粒径、比重及水力比降对推移质运动速度的影响，并分别根据Einstein和Bagnold的研究方法从实测资料得出推移质纵向平均速度的表达式。由图1-12可知，随着坡降的增加，推移质颗粒的速度明显增大，颗粒与水流的相对运动速度减小。......
2023-06-22
观测推移质运动的三维测速方法及其应用研究
【摘要】：现有的三维测速多数是对水流结构及悬移质的测量，对推移质运动的观测则非常少见。对此Muste et al. 对毫米量级的粗颗粒泥沙运动进行了试验研究，所得的两相速度差在纵向和垂向上基本都与ω在同一量级。刘大有等将近壁颗粒的脉动划分为两种形式，即除了跟随水流的湍流脉动外，还存在颗粒跃移与壁面碰撞等方式引起的非湍流脉动。Muste et al. 对粗颗粒泥沙的观测也表明，近壁区流体的垂向脉动强度要小于颗粒脉动。
推移质运动处于床面附近，水流和泥沙的相互作用显著，难以进行直接的观测和分析，导致了推移质运动机理方面的研究进展缓慢。随着光电、影像及数字信号处理技术的发展，各国学者尝试用新技术对颗粒的运动进行观测，以期得到颗粒的微观运动特性，进而总结其运动规律，其中图像示踪及处理技术逐渐得到各国学者的重视并获得了广泛的应用。例如，Yoon和Lee(2003)在研究椭圆射流流态时，采用了立体摄像PIV 技术获得三个流速方向上的分量，并建立了三维坐标校正系统以消除图像失真及反射的影响;Doh等(2004)开发了三部摄像机的3D PTV 系统，测量分析球体后尾流的瞬时速度分布及旋涡结构特征。现有的三维测速多数是对水流结构及悬移质的测量，对推移质运动的观测则非常少见。
目前对推移质运动的研究大致可以分为两类:一是研究颗粒运动对水流的响应，主要关注的是颗粒对流体时均速度、脉动强度的响应程度，核心问题之一是两相的相对速度;二是研究颗粒运动对流体产生的影响，主要考察加入颗粒后流场结构可能发生的变化，核心问题是流场脉动强度的变化等。其中关于推移质时均运动速度，各家学者所持意见很不统一。比如，Einstein (1950)在其床沙质函数理论中假定推移质的平均运动速度为11.6u*，但更多学者认为该速度并不是一个常数，如Bagnold(1973)假定推移质的运动速度比其相应高度的水流流速小一个颗粒的静水沉速ω。对此Muste et al. (2005)对毫米量级的粗颗粒泥沙运动进行了试验研究，所得的两相速度差在纵向和垂向上基本都与ω在同一量级。
Rizk&Elghobashi(1984)分析了边壁对颗粒脉动强度的影响，发现边壁的存在加大了颗粒的脉动强度，而且随着颗粒粒径和容重的增大，边壁的影响也加大，边壁对颗粒垂向脉动的影响更加显著。刘大有等(1993)将近壁颗粒的脉动划分为两种形式，即除了跟随水流的湍流脉动外，还存在颗粒跃移与壁面碰撞等方式引起的非湍流脉动。由于床面附近湍流脉动往往比较小，颗粒的非湍流脉动通常可达到与前者同量级甚至大于前者，从而导致推移质颗粒的脉动往往大于水流的脉动。Nezu和Azuma(2004)的试验表明，在近壁区颗粒的脉动强度大于水流，在垂向上的差别更为明显。Muste et al. (2005)对粗颗粒泥沙的观测也表明，近壁区流体的垂向脉动强度要小于颗粒脉动。
Tsuchiya(1969)对颗粒沿床面的滚动和跳跃作了力学和统计分析，认为颗粒从开始起动到跃移是以带滑动的滚动形式进行的，并求出了滚速方程，并计算了颗粒的跳跃高度。胡春宏(Hu和Hui，1996)进行了大量的颗粒跃移试验，并采用高速摄影技术记录下了粒子的跃移轨迹，在此基础上对水流中推移质颗粒的跃移规律进行了理论分析，取得了颗粒跃移的运动学和动力学特征及跃长、跃高等有关参数的关系式。Mc Namara和Borden(2004)对粒径7.2～9.2cm 的砂石推移运动进行了研究，利用植入砂样的感应器确定其在测量时间内的位置变化，认为推移质颗粒运动时间远小于静止时间，并且用Γ分布来表示运动与休止周期比用指数分布更符合实测资料。Nikolai et al.(2006)讨论了明渠流中球形颗粒的跳跃运动，并对颗粒与床面间的碰撞回弹过程进行了数值模拟，用随机数学方法计算了跃高和碰撞角等参数。
对三维流速的测量，目前国内外已经越来越倾向于使用不干扰流场的图像测速技术，其中应用较多的是立体摄像技术和全息摄像技术。例如前述Yoon和Lee(2003)的试验。Cao et al.(2003)为了验证直接数值模拟 (DNS)及各种理论模型对颗粒聚类的预测结果，用全息图像技术对均匀各向同性紊流中的颗粒进行了观测，分析了单颗粒的运动并计算了颗粒径向分布函数，发现与二维结果相比有较大偏差。Wei et al.(2003)在全息PIV技术的基础上，用可以直接记录干涉条纹的CCD 芯片代替了胶片，从而建立了数字全息PIV (DHPIV)测速系统，应用多帧技术，通过空间相关匹配重构三维流场并计算流速，得到了三维速度场、漩涡、近水面水流的结构及三维流场的时间变化过程。
在颗粒运动研究方面，胡春宏利用高速摄像技术测量颗粒的二维运动规律，李丹勋等 (2002)用图像处理技术测量悬移质颗粒运动特性。Muste和Patel(1997)使用鉴别式激光流速仪对含沙水流中的液相和固相速度进行分辨，分别测量了有、无悬沙两种情况下明渠流的平均及脉动速度，认为泥沙的纵向速度比其周围的水体速度至多延迟4%。Kiger和Pan(2002)对固体微粒的紊动及悬浮机理进行试验，应用同步两相PIV技术测量瞬时固液结构，得到相关的固液特征以描述两相间的耦合。Wu and Merchuk(2003)采用两个摄像机45°安装和专用图像卡建立了单颗粒3D 运动轨迹的测量系统，两个摄像机交替采样，频率为8帧/s。该系统率定过程复杂，需要80个参数和50个参考点。
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2023-06-22
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2023-06-22
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2023-06-21
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