一种坡面薄层流流场结构测定方法及系统

本发明涉及测量，特别是涉及一种坡面薄层流流场结构测定方法及系统。

背景技术：

1、坡面薄层流是指坡面降雨或融雪超过其土壤入渗量而在重力作用下沿坡面流动形成的薄层水流，水深一般只有几毫米或甚至更浅，是坡面径流的起始阶段。土壤水力侵蚀过程包括雨滴打击、径流搬运和土壤三方面因素的综合作用，而掌握坡面径流的水力学规律是研究土壤水力侵蚀的基础。坡面薄层流流速是计算坡面薄层流水力学及水动力学参数最基础的参数之一，是建立坡面水文模型和土壤侵蚀模型的基础，薄层流流速与土壤颗粒的剥离、运移和沉积过程紧密相关。目前测量薄层流流速的方法主要仍是单点测量，只能从一维的角度进行测量和计算。在明渠水流中粒子图像测速技术已经是一种较为成熟的观测技术，它可以将流动进行可视化，并且具有不干扰水流、多点同时测量及测量频率高的优点，能够准确获取二维、三维瞬时流速场，但是对于坡面薄层流而言此方法还较少的进行应用。由于坡面薄层流二维流速场和三维流速场信息的缺失，难以对坡面薄层流过水断面流速垂向分布进行准确的数学表达，从而限制了坡面薄层水流阻力特性、涡量场特性以及紊流特性等流场特性参数的计算和研究。上述规律研究的空白限制了对基于物理过程的水力侵蚀机理的认识。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种坡面薄层流流场结构测定方法及系统，基于粒子图像技术，可以准确测量有无降雨条件下的坡面薄层流流速分布。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种坡面薄层流流场结构测定方法，包括：

4、在流体中加入示踪粒子，得到混合流体；所述示踪粒子的密度与所述流体的密度相同；

5、基于设定条件对定床循环水槽系统进行设置，得到设置好的所述定床循环水槽系统；

6、基于设置好的所述定床循环水槽系统和所述混合流体进行坡面薄层流模拟；

7、对所述坡面薄层流进行拍摄，得到粒子图像集，基于所述粒子图像集进行计算，得到所述坡面薄层流的流速数据。

8、可选地，所述设定条件包括水槽坡度、是否降雨和混合流体流量，当存在降雨时，所述设定条件还包括降雨强度。

9、可选地，所述流速数据包括瞬时流速和时均流速；

10、所述瞬时流速计算公式如下：

11、

12、式中：u为瞬时流速，δt为时间间隔，δs为示踪粒子在δt时间内的位移变化值。

13、可选地，基于粒子测速系统对所述坡面薄层流进行拍摄，得到所述粒子图像集；

14、所述粒子测速系统包括数字相机和双脉冲激光器；

15、所述双脉冲激光器发射的激光束和所述数字相机的拍摄位置垂直；

16、所述双脉冲激光器用于向所述坡面薄层流发射所述激光束，所述激光束照亮所述混合流体中的所述示踪粒子；

17、所述数字相机对所述示踪粒子进行拍摄，得到所述粒子图像集。

18、可选地，所述方法还包括：

19、基于所述流速数据进行计算，得到流场特性参数；所述流场特性参数包括涡量、脉动流速、紊流强度和湍动能。

20、本发明还提供了一种坡面薄层流流场结构测定系统，包括：

21、流体模块，用于在流体中加入示踪粒子，得到混合流体；所述示踪粒子的密度与所述流体的密度相同；

22、设置模块，用于基于设定条件对定床循环水槽系统进行设置，得到设置好的所述定床循环水槽系统；

23、模拟模块，用于基于设置好的所述定床循环水槽系统和所述混合流体进行坡面薄层流模拟；

24、流速模块，用于对所述坡面薄层流进行拍摄，得到粒子图像集，并基于所述粒子图像集进行计算，得到所述坡面薄层流的流速数据。

25、可选地，所述设定条件包括水槽坡度、是否降雨和混合流体流量，当存在降雨时，所述设定条件还包括降雨强度。

26、可选地，所述流速数据包括瞬时流速和时均流速；

27、所述瞬时流速计算公式如下：

28、

29、式中：u为瞬时流速，δt为时间间隔，δs为示踪粒子在δt时间内的位移变化值。

30、可选地，所述流速模块基于粒子测速系统对所述坡面薄层流进行拍摄，得到所述粒子图像集；

31、所述粒子测速系统包括数字相机和双脉冲激光器；

32、所述双脉冲激光器发射的激光束和所述数字相机的拍摄位置垂直；

33、所述双脉冲激光器用于向所述坡面薄层流发射所述激光束，所述激光束照亮所述混合流体中的所述示踪粒子；

34、所述数字相机对所述示踪粒子进行拍摄，得到所述粒子图像集。

35、可选地，所述坡面薄层流流场结构测定系统还包括：

36、流场参数模块，用于基于所述流速数据进行计算，得到流场特性参数；所述流场特性参数包括涡量、脉动流速、紊流强度和湍动能。

37、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

38、本发明公开一种坡面薄层流流场结构测定方法及系统，方法包括：在流体中加入示踪粒子，得到混合流体；所述示踪粒子的密度与所述流体的密度相同；基于设定条件对定床循环水槽系统进行设置，得到设置好的所述定床循环水槽系统；基于设置好的所述定床循环水槽系统和所述混合流体进行坡面薄层流模拟；对所述坡面薄层流进行拍摄，得到粒子图像集，基于所述粒子图像集进行计算，得到所述坡面薄层流的流速数据。本发明基于粒子图像技术，可以准确测量有无降雨条件下的坡面薄层流流速分布。

技术特征：

1.一种坡面薄层流流场结构测定方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的坡面薄层流流场结构测定方法，其特征在于，所述设定条件包括水槽坡度、是否降雨和混合流体流量，当存在降雨时，所述设定条件还包括降雨强度。

3.根据权利要求1所述的坡面薄层流流场结构测定方法，其特征在于，所述流速数据包括瞬时流速和时均流速；

4.根据权利要求1所述的坡面薄层流流场结构测定方法，其特征在于，基于粒子测速系统对所述坡面薄层流进行拍摄，得到所述粒子图像集；

5.根据权利要求1所述的坡面薄层流流场结构测定方法，其特征在于，所述方法还包括：

6.一种坡面薄层流流场结构测定系统，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的坡面薄层流流场结构测定系统，其特征在于，所述设定条件包括水槽坡度、是否降雨和混合流体流量，当存在降雨时，所述设定条件还包括降雨强度。

8.根据权利要求6所述的坡面薄层流流场结构测定系统，其特征在于，所述流速数据包括瞬时流速和时均流速；

9.根据权利要求6所述的坡面薄层流流场结构测定系统，其特征在于，所述流速模块基于粒子测速系统对所述坡面薄层流进行拍摄，得到所述粒子图像集；

10.根据权利要求6所述的坡面薄层流流场结构测定系统，其特征在于，所述坡面薄层流流场结构测定系统还包括：

技术总结
本发明公开一种坡面薄层流流场结构测定方法及系统，涉及测量技术领域，方法包括：在流体中加入示踪粒子，得到混合流体；所述示踪粒子的密度与所述流体的密度相同；基于设定条件对定床循环水槽系统进行设置，得到设置好的所述定床循环水槽系统；基于设置好的所述定床循环水槽系统和所述混合流体进行坡面薄层流模拟；对所述坡面薄层流进行拍摄，得到粒子图像集，基于所述粒子图像集进行计算，得到所述坡面薄层流的流速数据。本发明基于粒子图像技术，可以准确测量有无降雨条件下的坡面薄层流流速分布。

技术研发人员：刘刚,申恩帅,淡晨希,李海茹,刘畅
受保护的技术使用者：西北农林科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12