岸滩表面流速拉格朗日粒子追踪测量方法
【专利摘要】本发明公开一种岸滩表面流速拉格朗日粒子追踪测量方法，基于拉格朗日方程而测量，在岸滩表面放置拉格朗日粒子，使其跟随流体运动，实时记录粒子的运动时间和运动轨迹，并记粒子的势能为0，动能为mV2/2，通过拉格朗日方程计算出粒子的速度，将粒子的速度记为岸滩表面的流体流速。本发明以拉格朗日粒子为研究对象模拟岸滩表面的质点运动，记录该质点在运动过程中物理量随时间变化规律，综合所有质点的运动，能反演整个流体表面流速的变化。避免了现有技术中，由于以充满整个空间流场的质点为研究对象，而不能有效地描述流体表面流速变化的缺陷，提高了整个测量精度和测量效率，可以进一步研究水流在岸滩上的传播特点及在滩槽水体间的交换。
【专利说明】岸滩表面流速拉格朗日粒子追踪测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水工物理模型试验领域，尤其涉及一种岸滩表面流速拉格朗日粒子追 踪测量方法。
【背景技术】
[0002] 水流表面流速是水体运动的主要特征参量，是水工物理模型试验观测的基础试验 数据之一。国内外学者对应用于水工物理模型表面流速测量的方法进行了广泛地研究，主 要可以分为接触式和非接触式两类。
[0003] 其中，接触式包括毕托管流速测量法、旋桨式流速测量法、热线流速测量法和电磁 流速测量法等。由于岸滩水体水深浅，边界影响大，流态复杂，因而传统的接触式测量方法 受安装条件的限制，很难达到试验要求。
[0004] 非接触式主要有粒子图像测速技术（PIV)、光电非接触式测量技术等。而粒子图像 测速技术（PIV)存在以下方面的技术问题：
[0005] 1、大多PIV产品是基于快速Fourier变换的互相关算法，仅适用于粒子浓度高且 粒子图像在被删区不重叠的测量；
[0006] 2、由于水体和岸滩的相互作用，需要涉及到近岸边界处的速度矢量识别；
[0007] 3、由于激光能量较高，在固体边界上不可避免会产生强烈的反光，这给按粒子成 像来获得速度的互相关算法的使用造成了极大的困难；
[0008] 4、现有的PIV测量技术是以充满运动液体质点的空间流场为对象，研究各时刻质 点在流场中的变化规律，该方法很难有效地考察水体和污染物在岸滩上的传播特点及滩槽 水体的交换。
【发明内容】
[0009] 为了克服现有技术下测量精度低、测量速度慢的技术问题，本发明提供一种岸滩 表面流速拉格朗日粒子追踪测量方法。该方法以拉格朗日动力学方程为指导，采用粒子 (称为拉格朗日粒子）跟随流体质点运动，记录该质点在运动过程中物理量随时间变化规 律，然后综合所有质点的运动，反演出整个流体表面流速的变化。
[0010] 为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下：
[0011] 一种岸滩表面流速拉格朗日粒子追踪测量方法，基于拉格朗日方程而测量，拉格 朗日方程如下 ：
[0012]
【权利要求】
1. 一种岸滩表面流速拉格朗日粒子追踪测量方法，其特征在于：基于拉格朗日方程：
其中，
是拉格朗日量，是动能减去位势的差，q = (qi，q2，…，qN)是随时间 t变化的广义坐标，
是广义速度， 在岸滩表面放置拉格朗日粒子，使其跟随流体运动，实时记录粒子的运动时间和运动 轨迹，并记粒子的势能为〇,动能为mV2/2,通过拉格朗日方程计算出粒子的速度，将粒子的 速度记为岸滩表面的流体流速。
2. 根据权利要求1所述的岸滩表面流速拉格朗日粒子追踪测量方法，其特征在于：在 岸滩表面放置拉格朗日粒子，并实时记录粒子的运动时间和运动轨迹，计算出速度的方法 为： 设置一流体场，包括水槽，水槽中划分为主流槽和模拟岸滩两部分；取模拟岸滩上表面 一段长度作为刻度区，在刻度区沿横、纵两方向都画有刻度线； 将拉格朗日粒子，在测量前静置于起始刻度线上，在水槽中冲入水后粒子随流体流动； 在水槽的上方用摄像机连续拍摄粒子的运动图像，并用计算机拟合成一张完整的图片，记 录每帧图像的拍摄时间和该时刻的粒子的坐标，用拉格朗日方程计算出粒子的运动速度。
3. 根据权利要求1或2所述的岸滩表面流速拉格朗日粒子追踪测量方法，其特征在于： 所述的拉格朗日粒子有多颗，用不同的颜色标记，通过计算不同粒子的速度的平均值，记为 岸滩表面的流速。
4. 根据权利要求1或2所述的岸滩表面流速拉格朗日粒子追踪测量方法，其特征在于： 所述的拉格朗日粒子为轻质磁性粒子。
5. 根据权利要求3所述的岸滩表面流速拉格朗日粒子追踪测量方法，其特征在于：所 述的拉格朗日粒子为轻质磁性粒子。
6. 根据权利要求2所述的岸滩表面流速拉格朗日粒子追踪测量方法，其特征在于：所 述模拟岸滩在主流槽的侧面设置，与主流槽之间形成台阶形式。
7. 根据权利要求2所述的岸滩表面流速拉格朗日粒子追踪测量方法，其特征在于：在 主流槽的底表面也画有与岸滩表面同样的刻度线。
8. 根据权利要求2所述的岸滩表面流速拉格朗日粒子追踪测量方法，其特征在于：所 述摄像机拍摄范围应能覆盖到刻度区的首尾刻度线，刻度区并用光源照明。
9. 根据权利要求4所述的岸滩表面流速拉格朗日粒子追踪测量方法，其特征在于：所 述水槽的下游槽壁上设置有磁铁或其他吸磁装置。
10. 根据权利要求1或2所述的岸滩表面流速拉格朗日粒子追踪测量方法，其特征在 于：所述流体为循环流体。
【文档编号】G01P5/20GK104090123SQ201410321741
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月8日 优先权日:2014年7月8日
【发明者】潘冬子, 潘存鸿, 曾剑, 韩海骞 申请人:浙江省水利河口研究院