基于高速摄像技术的推移质运动特征试验-水科学进展.PDFVIP

第２７卷 第６期 水 科 学 进 展 Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．６ ２０１６年１１月　 　 ＡＤＶＡＮＣＥＳ ＩＮ ＷＡＴＥＲ ＳＣＩＥＮＣＥ Ｎｏｖ．，２０１６ ＤＯＩ： １０１４０４２／ ｊｃｎｋｉ３２１３０９２０１６０６００７ 基于高速摄像技术的推移质运动特征试验 １ １ １ ２ 王　 浩 ，袁　 强 ，孟　 震 ，龚家国 （１． 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室， 北京　 １０００８４； ２． 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京　 １０００３８） 摘要： 在明渠中开展不同水流条件下低强度均匀沙平衡输沙试验， 基于灰度相减方法分析整个床面推移质运动特 征， 以探寻紊流结构与推移质运动之间的作用机理。 结果表明： ① 受水槽横向方向水流强度分布特征影响， 推移 质运动概率从水槽中线到两侧壁逐渐变小， 且基本呈对称分布； ② 在紊流相干结构作用下， 推移质床面在紊流低 速条带区形成凸槽， 高速条带区形成凹槽， 推移质运动概率沿水槽横向方向存在高低相间的带状分区； ③ 随摩阻 雷诺数增大， 相邻两推移质运动高概率区域的间距值变化范围为０１３～０２４倍水槽宽度， 其值随摩阻雷诺数增大 而增大； ④ 不同水流条件下， 推移质运动高概率区域间距值约为水深的２倍， 这与流向涡模型吻合， 表明流向涡 是诱导床面出现凹凸相间形态的重要因素。 关键词： 推移质； 运动特征； 图像处理； 条带结构； 流向涡 中图分类号： ＴＶ１４２　 　 　 文献标志码： Ａ　 　 　 文章编号： １００１⁃６７９１（２０１６）０６⁃０８４９⁃０９ 推移质运动广泛存在于自然界的河流海洋中， 分析推移质输沙过程中床面形态、 颗粒运动特征及其与紊 ［１］ 流性质的相互关系， 对于理解推移质运动规律和紊流特性均具有重要意义 。 一些学者对此开展了研究， ［２］ 并获得了许多一致的认识。 高低速条带结构是紊流重要的相干结构， Ｋｌｉｎｅ等 首先使用氢气泡可视化方法， 发现近壁区水流以不稳定的低速区、 高速区相间排列流动， 并伴随以低速流体抬升和高速流体向下清扫为主 ［３］ 要特征的猝发运动。 Ｎｉｎｏ和Ｇａｒｃｉａ 指出水沙两相运动过程沙颗粒受水流相干结构的猝发事件影响， 能够形 ［４］ 成稳定的沙粒条带结构。 Ｋａｆｔｏｒｉ等 观测了粒径为１００～９００ μｍ泥沙颗粒在紊流近壁区运动、 沉积及水流挟 带颗粒运动的过程， 指出颗粒运动将受到漏斗涡的影响形成条带结构， 但当水流强度过大推移质表面的条带 ［５］ 结构形态将逐渐消失。 Ｎｅｚｕ和Ｎａｋａｇａｗａ 则认为， 近壁区相邻流向涡的反向旋转运动造成固体颗粒横向交 换运移， 导致固体颗粒聚集在低速区域形成规则的带状结构。 由此可见， 当推移质颗粒在一定水流强度条件 下能够形成条纹状床面结构， 也意味着床面不同位置推移质运动概率存在差异性。 长期以来， 受测量仪器和 实验方法的制约， 主要针对推移质输沙率结果进行研究， 缺乏对输沙过程床面形态特征及输沙率在床面分布 规律进行研究。 随着测量技术的进步， 文献［６⁃７］通过俯视观测方式， 将高速摄像技术用于测量推移质运动 ［８］ 特征， 分析了紊流猝发与推移质运动条带现象的关系。 刘春嵘等 采用类似观测方法， 实现了推移质起动 概率的定量测量。 目前