【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(yùn)動(dòng)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(shì)之一。本文開發(fā)了大型水槽推移質(zhì)輸移顆粒運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),開展了非均勻沙床面條件下推移質(zhì)顆粒運(yùn)動(dòng)水槽試驗(yàn),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(duì)顆粒流速、走停時(shí)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(duì)顆粒計(jì)數(shù)的方法測(cè)量進(jìn)入集沙坑的實(shí)時(shí)推移質(zhì)輸沙率。該方法不僅可提供推移質(zhì)輸沙率實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù),還可以對(duì)所測(cè)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(yùn)動(dòng)的解決方案,并開發(fā)了具體裝置,主要包括：可移動(dòng)式測(cè)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(gè)部分。試驗(yàn)表明,該裝置可有效解決由于水面波動(dòng)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(yùn)動(dòng)提供了新的技術(shù)手段。(3)對(duì)邊緣檢測(cè)法、數(shù)學(xué)形態(tài)法及邊界查找法在純色背景條件下對(duì)泥沙顆粒的識(shí)別進(jìn)行了對(duì)比研究,結(jié)果表明：數(shù)學(xué)形態(tài)法及邊界查找法對(duì)于粗顆粒的識(shí)別有較好的效果,對(duì)于細(xì)顆粒則識(shí)別不足,而邊緣檢測(cè)法則可以同時(shí)對(duì)粗細(xì)顆粒較好的識(shí)別；進(jìn)而對(duì)邊緣檢測(cè)法常用的幾種算子(Sobel、Prewitt、Roberts、Laplacian、Log)進(jìn)行了對(duì)比分析,表明Sobel算子更適合于對(duì)純色背景泥沙顆粒識(shí)別,并對(duì)閾值選取與顆粒識(shí)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(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)進(jìn)行拍攝,對(duì)其中60s圖像共3000幀圖像中的運(yùn)動(dòng)顆粒進(jìn)行識(shí)別,獲取268個(gè)非均勻沙泥沙顆粒,近10000個(gè)顆�？臻g位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)。利用上述數(shù)據(jù)對(duì)推移質(zhì)顆粒運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了深入分析。(5)推移質(zhì)顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換頻繁,在研究時(shí)段內(nèi),超過200個(gè)顆粒至少經(jīng)過兩次狀態(tài)轉(zhuǎn)換,即“靜止-運(yùn)動(dòng)-靜止-運(yùn)動(dòng)”,最多狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)達(dá)9次；由于顆粒運(yùn)動(dòng)均為底部水流作用下產(chǎn)生,顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的頻繁轉(zhuǎn)換表明其運(yùn)動(dòng)過程中的沿程水流紊動(dòng)結(jié)構(gòu)變化劇烈。(6)推移質(zhì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡受床面大顆粒影響較大,明顯有小顆粒繞大顆粒運(yùn)動(dòng)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(dòng)。(7)對(duì)包括從“靜止-運(yùn)動(dòng)-靜止”完整顆粒運(yùn)動(dòng)過程的推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)距離進(jìn)行了分析。實(shí)測(cè)非均勻沙顆粒單次運(yùn)動(dòng)距離最小值小于1d,最大值達(dá)166d；91%顆粒運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)距離無明顯相關(guān)關(guān)系。(8)對(duì)連續(xù)運(yùn)動(dòng),即不斷發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換的顆粒運(yùn)動(dòng)走停時(shí)間進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,顆粒靜止的時(shí)間大于其運(yùn)動(dòng)時(shí)間,說明多數(shù)顆粒在完成一次運(yùn)動(dòng)之后,均要經(jīng)過一定的等待時(shí)間再開始運(yùn)動(dòng),且靜止等待的時(shí)間大于其運(yùn)動(dòng)時(shí)間。(9)非均勻沙床面條件下,底部推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)縱向運(yùn)動(dòng)速度、橫向運(yùn)動(dòng)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(duì)比參數(shù),還是以希爾茲參數(shù)作為對(duì)比參數(shù),縱向運(yùn)動(dòng)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(duì)底部水流及泥沙運(yùn)動(dòng)造成較大影響。(10)非均勻沙床面條件下,推移質(zhì)瞬時(shí)輸沙率表現(xiàn)出強(qiáng)烈的脈動(dòng)特性,滑動(dòng)平均分析結(jié)果表明,當(dāng)時(shí)間尺度大于10秒時(shí),所獲取的推移質(zhì)輸沙率趨于穩(wěn)定；將Ballio瞬時(shí)推移質(zhì)輸沙率方法拓展至非均勻沙條件,并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。將分析區(qū)進(jìn)一步分區(qū),對(duì)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：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(dòng)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(yùn)動(dòng)，大顆粒與大顆粒之間會(huì)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(shí)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(jí)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�。哉妴巡冲刷过秤懶，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(hào)：2790876