一种探究异重流在植被区域掺混速率变化特性的分析方法与流程

本发明涉及近海工程水力模型试验技术领域，具体涉及探究异重流在植被区域掺混速率变化特性的分析方法。

背景技术：

异重流，又称为密度流，是2种或2种以上的流体在水平方向上有微小密度差异，且在流动过程中不与其他流体发生全局性掺混的运动现象，为环境流体力学中基本的运动形式之一。异重流在自然界和工程界非常普遍，常见的异重流运动有海洋环境中的浊流、盐水楔、火电厂温排水、水流中携带泥沙和盐分等，因此异重流的研究对于工程实践及科学研究具有重要的意义。流体力学、水利工程及海洋科等学科均对异重流进行了大量研究。但是异重流发生具有很大的不可预测性，野外观测困难较大，故室内水槽试验成为异重流的研究手段之一。

自然环境中，异重流在运动过程中会在下界面会与底床发生掺混作用、在上界面会与环境水体发生卷吸作用，两者共同影响异重流的运动距离，进而影响异重流对自然环境的破坏程度。然而，植被可以显著影响异重流的运动过程和形态，故通过室内试验探究异重流在植被区域的掺混特性，对厘清异重流的运动机制和植被对异重流掺混作用的影响程度非常重要，可为后人研究提供科学的参考依据。现已公布的专利方案中，对探究异重流掺混速率的技术方案非常缺乏。

技术实现要素：

根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种探究异重流在植被区域掺混速率变化特性的分析方法，通过计算异重流的掺混速率对厘清异重流在植被区域的运动机制具有重要的意义，方便其在生产实践中的应用。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种探究异重流在植被区域掺混速率变化特性的分析方法，包括以下步骤：

步骤1、制作探究异重流在植被区域掺混速率变化特性的异重流试验装置，异重流试验装置包括长方体透明水槽、闸门、植被群、第一相机、第二相机和激光器，闸门插入长方体透明水槽中将长方体透明水槽中分为盐水区和清水区，在盐水区注入盐水并将盐水染色，在清水区注入与盐水区中盐水相同高度的清水，闸门通过步进电机控制启闭，植被群包括多株植株，植被群被固定在有机玻璃板上并放置在清水区中，第一相机放置在长方体透明水槽的侧面用于拍摄异重流立面二维全程运动现象，第二相机放置在第一相机旁且垂直植被群放置用于拍摄异重流流入植被群过程中的异重流形态，激光器设在长方体透明水槽的上方用于照射第二相机拍摄区域，激光器的发射范围大于第二相机的拍摄范围；

步骤2、获取数据，测定目标研究区域的地形数据和异重流参数并建立笛卡尔坐标系；

步骤3、参数确定，根据步骤2中测定的地形数据和异重流参数，测定试验中植被群的长度、宽度和高度以及植株的直径和数量，根据步骤2中建立的笛卡尔坐标系，测定异重流头部位置xf，通过步进电机控制闸门打开，设置第一相机和第二相机自动拍摄，根据步骤2中的地形数据和异重流参数和异重流头部位置xf，计算异重流的头部速度uf，根据步骤2中测定的地形数据和异重流参数和步骤1中拍摄得到的异重流流入植被群过程中的异重流形态和异重流立面二维全程运动现象，计算得到异重流在植被群内部的侧面面积a1和植被群外部的侧面面积a2；

步骤4、模型计算，异重流在植被区域的掺混速率计算模型为其中，uf异重流的头部速度，xf为异重流的头部位置，a1为异重流在植被群内部的侧面面积，a2为异重流在植被群外部的侧面面积，spf为植被群单位面积内所占比例，将步骤2和步骤3中所得数据代入异重流在植被区域的掺混速率计算模型，获取异重流掺混速率在植被区域的变化特性。

进一步的，所述步骤2中所需测定目标研究区域的环境地形数据包括水槽长度、水槽宽度、水槽底面坡度、闸室长度、异重流浓度、异重流初始高度和植被群距离闸门的距离，笛卡尔坐标系原点建在闸门位置，闸门与水槽底部接触靠外侧端点为坐标原点o，水平向左代表x正方向，垂直纸面向里代表正y正方向，竖直向上代表z正方向。

进一步的，步骤4中植被单位面积所占比例其中d为植株的直径，lv为植被群的长度，wv为植被群的宽度，n为植株数量。

进一步的，所述步骤3中异重流的头部位置xf表示异重流最前缘点的运动距离，并且头部位置是以笛卡尔系坐标原点为参考，即头部位置植被群边缘与闸门之间的最近距离。

进一步的，所述步骤3中异重流的头部速度uf，是第二相机在异重流流入植被过程中前、后各小段瞬时速度的平均值。

进一步的，首先根据异重流与环境水体的差异，通过对比确定灰度值以确定异重流的精确轮廓，通过第一相机拍摄的图像和建立直角坐标系计算异重流侧面面积为a，再通过matlab软件采用人机交互技术计算出异重流在植被区域的侧面积a1，则异重流在植被外的侧面积为a2＝a-a2。

进一步的，通过matlab软件采用人机交互技术计算出异重流在植被区域的侧面积a1具体包括，通过第二相机获取需要计算侧面面积的异重流图片，由于盐水被染色，图片中异重流相对于清水有颜色显示，将rgb彩色图片转换为灰度图片，根据灰度值差异确定获取轮廓线上的坐标值，以闸门处为坐标原点，x轴为沿着水槽底部指向异重流运动方向，y轴为竖直向上方向，根据图片中标记物确定比例尺大小，根据比例尺大小将坐标点转换为实际坐标点，根据得到的实际轮廓线，通过matlab中的polyarea函数计算闭合曲线的面积，该面积为异重流的侧面面积a1。

进一步的，植株简化为刚性圆柱体，植株选择随机方式排列。

进一步的，将盐水用高锰酸钾染色。

进一步的，所述第一相机的分辨率为1920×1080pixel且帧率25fps的数码相机，所述第二相机为分辨率2320×1726pixel且帧率为100fps的ccd相机。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1.本发明所述的一种探究异重流在植被区域掺混速率变化特性的分析方法，制作了模拟异重流试验的装置，装置制作简单、成本低廉，且方便试验。

2.本发明所述的一种探究异重流在植被区域掺混速率变化特性的分析方法，提出了异重流掺混速率在植被区域变化特性的计算模型及计算模型中各个参数的提取方法。

3.本发明所述的一种探究异重流在植被区域掺混速率变化特性的分析方法，利用matlab软件中polyarea函数的异重流在植被区域的侧面积，通过灰度值判断异重流的侧面面积保证计算结果误差更小，简单方便且准确度高。

附图说明

图1为本发明异重流试验装置的主视图。

图2为本发明异重流试验装置的俯视图。

图3是异重流流经植被区域掺混速率的变化图像。

其中：1、长方体透明水槽；2、闸门；3、植被群；4、第一相机；5、第二相机；6、激光器；7、盐水；8、清水。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

参照图1和图2所示，实现本发明分析方法的装置为异重流试验装置，异重流试验装置包括长方体透明水槽1、闸门2、植被群3、第一相机4、第二相机5和激光器6，闸门2插入长方体透明水槽1中将长方体透明水槽1中分为盐水区和清水区，在盐水区注入盐水7并将盐水7染色，在清水区注入与盐水区中盐水7相同高度的清水8，闸门2通过步进电机控制启闭，植被群3包括多株植株，植被群3被固定在有机玻璃板上并放置在清水区中，第一相机4放置在长方体透明水槽1的侧面用于拍摄异重流立面二维全程运动现象，第二相机5放置在第一相机4旁且垂直植被群3放置用于拍摄异重流流入植被群3过程中的异重流形态，激光器6设在长方体水槽的上方，激光器6的发射范围大于第二相机5的拍摄范围。

本发明实施例中，长方体透明水槽1为亚克力材料制成，长方体透明水槽1长度为200cm，宽度为20cm，高度为20cm，盐水区的长度为10cm，清水区的长度为190cm。

上述第一相机4的分辨率为1920×1080pixel且帧率25fps的数码相机，上述第二相机5为分辨率2320×1726pixel且帧率100fps的ccd相机，上述激光器6为平行于长方体透明水槽1中心线波长为532nm且扩散角45°的激光器6。

本发明实施例中，第一相机4架设与长方体透明水槽1前方100cm，侧向拍摄异重流立体二维全程运动现象，第二相机5拍摄范围处于距离闸门220cm至60cm处。

上述植株简化为刚性圆柱体，植株选择随机方式排列。

本发明实施例中，植株简化为直径为7mm的刚性圆柱体，植株选择随机方式排列，具体分布位置采用matlab随机分布函数确定。

在对盐水7进行染色时，选择高锰酸钾进行染色。

一种探究异重流在植被区域掺混速率变化特性的分析方法，包括以下步骤：

步骤1、制作探究异重流在植被区域掺混速率变化特性的异重流试验装置。

步骤2、获取数据，测定目标研究区域的地形数据和异重流参数并建立笛卡尔坐标系。

步骤3、参数确定，根据步骤2中测定的地形数据和异重流参数，测定试验中植被群3的长度、宽度和高度以及植株的直径和数量，根据步骤1中建立的笛卡尔坐标系，测定异重流头部位置xf，通过步进电机控制闸门2打开，设置第一相机4和第二相机5自动拍摄，根据步骤2中的地形数据和异重流参数和异重流头部位置xf，计算异重流的头部速度uf，根据步骤2中测定的地形数据和异重流参数和步骤1中拍摄得到的异重流流入植被群3过程中的异重流形态和异重流立面二维全程运动现象，计算得到异重流在植被群3内部的侧面面积a1和植被群3外部的侧面面积a2。

步骤4、模型计算，异重流在植被区域的掺混速率计算模型为其中，uf为异重流的头部速度，xf为异重流的头部位置，a1为异重流在植被群3内部的侧面面积，a2为异重流在植被群3外部的侧面面积，spf为植被群3单位面积内所占比例，将步骤2和步骤3中所得数据代入异重流在植被区域的掺混速率计算模型，获取异重流掺混速率在植被区域的变化特性。

上述步骤2中所需测定目标研究区域的环境地形数据包括水槽长度、水槽宽度、水槽底面坡度、闸室长度、异重流浓度、异重流初始高度和植被群3距离闸门2的距离，笛卡尔坐标系原点建在闸门2位置，闸门2与水槽底部接触靠外侧端点为坐标原点o，水平向左代表x正方向，垂直纸面向里代表正y正方向，竖直向上代表z正方向。

上述步骤3中异重流的头部位置xf表示异重流最前缘点的运动距离，并且头部位置是以笛卡尔系坐标原点为参考，即头部位置植被群3边缘与闸门2之间的最近距离。

上述步骤3中异重流的头部速度uf，是第二相机5在异重流流入植被群3过程中前、后各小段瞬时速度的平均值。

具体的，根据步骤2中的基础参数和步骤3中测定的xf，再进一步计算所在时刻前0.1s和后0.1s瞬时速度的平均值为异重流的头部速度uf。

本发明中，步骤3中，计算得到异重流在植被群3内部的侧面面积a1和植被群3外部的侧面面积a2的具体方法如下，根据异重流与环境水体的差异，对比确定灰度值以确定异重流的精确轮廓，通过第一相机4拍摄的图像和建立直角坐标系计算异重流侧面面积为a，再通过matlab软件采用人机交互技术计算出异重流在植被群3区域的侧面积a1，则异重流在植被群3外的侧面积为a2＝a-a2。

具体的，通过matlab软件采用人机交互技术计算出异重流在植被区域的侧面积a1具体包括，通过第二相机5获取需要计算侧面面积的异重流图片，由于盐水7被染色，图片中异重流相对于清水8有颜色显示，将rgb彩色图片转换为灰度图片，根据灰度值差异确定获取轮廓线上的坐标值，直角坐标系的建立是以闸门2处为坐标原点，x轴为沿着水槽底部指向异重流运动方向，y轴为竖直向上方向，根据图片中标记物确定比例尺大小，根据比例尺大小将坐标点转换为实际坐标点，根据得到的实际轮廓线，通过matlab中的polyarea函数计算闭合曲线的面积，该面积为异重流的侧面面积a1。

通过第二相机5拍摄的异重流运动过程中的侧面形态，后期经过视频转图片处理获取0.1s为间隔的异重流形态图片，以此为基础进行分析。

上述步骤4中植被单位面积所占比例其中d为植株的直径，lv为植被群3的长度，wv为植被群3的宽度，n为植株数量。

本发明实施例中，令hv为植株的高度，h为盐水7和清水8的高度，测定试验中植被群3的长度lv选择30cm和80cm，植被群3的宽度wv为20cm，h的高度为14cm，植株的高度hv分别为3cm、6.5cm和16cm，植株的直径为d为7mm，则植被群3的密度spf为4.5％、9.0％和18.0％(共18种植被群3类型)。

参照表1所示，为本发明实施例试验工况详细附表。

表1试验工况详细附表

为进一步说明本发明异重流在植被区域掺混速率变化特性的分析方法的可信度和有效性，参照图1所示，本发明在长方体玻璃水槽中开展19组开闸式异重流运动试验，测量该异重流运动过程中的掺混速率、头部位置和头部速度等，同时测定本发明步骤2和3中列举的其他参数，并将其带入本发明的预测模型中，计算异重流运动过程中掺混速率随异重流头部位置xf和异重流头部速度xf的变化特性。通过计算数据将其绘制图形如图3所示。由此可见，本发明所提出的分析方法可以有效地获取异重流的掺混速率在植被区域的变化特性。

对本发明的实施例进行进一步说明，对于工况1(不存在植被)，掺混速率随头部位置递减，并且在xf＝7-12范围内，we≈0.01-0.02cm·s^-1。当植株存在时，异重流在流入植被群3之前，掺混速率we随异重流的头部位置xf迅速递减；而后由于植株的阻挡效应，掺混作用减弱，掺混速率we趋于线性递减；流过植被群3后掺混速率we随异重流的头部位置xf缓慢递减并且趋于零。从图3中可以得出时，掺混速率we较其他有植被工况更大，究其原因，一方面是部分异重流在植株上部运动，与环境水体接触面积增大，掺混速率we增大；另一方面由于r-t不稳定性，植株上部和内部异重流持续交换，掺混速率we增大。另外，分析得出掺混速率we在坍塌阶段初期与异重流的头部速度uf关系不显著，但是当异重流从坍塌阶段调整至自相似阶段后，与异重流的头部速度uf呈现线性递减关系。