專利名稱：一種測(cè)量泥沙啟動(dòng)流速的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于河工測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種泥沙啟動(dòng)流速的測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
在河工模型試驗(yàn)中，泥沙啟動(dòng)流速的測(cè)量對(duì)于泥沙運(yùn)移規(guī)律的研究具有十分重要的意義。泥沙啟動(dòng)是指在一定的水流條件下，泥沙由靜止轉(zhuǎn)為運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。然而，現(xiàn)有泥沙啟動(dòng)流速測(cè)量的方法還比較落后，主要依靠人工觀察的方法，即由人工調(diào)整試驗(yàn)水槽中的流速，并通過(guò)人工目視觀察試驗(yàn)水槽床面泥沙的啟動(dòng)情況，進(jìn)而判定是否達(dá)到泥沙的啟動(dòng) 流速。這種方法存在以下問(wèn)題1、受人為因素影響較大，不同人員、不同的習(xí)慣、不同光照條件可能得出不同臨界啟動(dòng)流速；2、缺乏合理的、定量的、客觀一致的判別依據(jù)，人為隨意性很大。3、受水流透明性影響較大。在含沙水流中往往會(huì)有很多微小的塵粒，長(zhǎng)時(shí)間懸浮在水中，尤其是流動(dòng)的水中，使得水體混濁，實(shí)驗(yàn)人員根本無(wú)法看清床面泥沙的運(yùn)動(dòng)情況，因而無(wú)法判定泥沙的啟動(dòng)狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于儀器的測(cè)量泥沙啟動(dòng)流速的方法。本發(fā)明采用B超成像，自動(dòng)判別泥沙啟動(dòng)狀態(tài)和測(cè)量啟動(dòng)流速。當(dāng)流速低于泥沙的啟動(dòng)流速時(shí)，除少數(shù)微小粒子流動(dòng)外，床面的沙粒是不動(dòng)的，在床底附近懸浮運(yùn)動(dòng)的沙粒濃度很低，只有少數(shù)雜散懸浮粒子。顯然，在這種情況下，河床床面也保持不變；當(dāng)水流速度達(dá)到并超過(guò)泥沙臨界啟動(dòng)流速時(shí)，床面沙粒的力學(xué)平衡條件被打破，就會(huì)發(fā)生沙粒沿床面的滾動(dòng)和部分沙粒上揚(yáng)運(yùn)動(dòng)，伴隨而至的是床面附近懸浮運(yùn)動(dòng)粒子的濃度的顯著增加。經(jīng)歷一定的時(shí)間后，床面的地形會(huì)發(fā)生一定的變化；進(jìn)一步增大水流速度，將伴隨大量沙粒的揚(yáng)起和流動(dòng)，運(yùn)動(dòng)沙粒的濃度將急劇增加，同時(shí)，河床地貌也將發(fā)生快速的變化。顯然，測(cè)量出河床邊界上方懸移沙粒的數(shù)量(或濃度)及其變化情況，就可以判定泥沙的啟動(dòng)與否，對(duì)應(yīng)流速由流速儀測(cè)得，從而測(cè)量出泥沙的臨界啟動(dòng)流速。由于超聲波在水下有很好的傳導(dǎo)性，而且高頻超聲波對(duì)水中的粒子較為敏感，借助于B型超聲掃描方式，只要選擇合適的超聲頻率，進(jìn)行水下二維成像，可以獲得河床界面及其上方的懸浮沙粒的的實(shí)時(shí)圖像信號(hào)。依據(jù)這些粒子的光斑圖像信號(hào)可以分析判定泥沙的啟動(dòng)狀況。雖然圖像中的粒子的大小可能會(huì)有一定失真，但足以反映懸移粒子的存在和粒子的濃度變化情況，為分析判定泥沙的啟動(dòng)狀態(tài)提供足夠的信息。實(shí)驗(yàn)證明，在泥沙臨界啟動(dòng)流速附近，河床界面懸移沙粒的濃度有一個(gè)顯著的增加的過(guò)程，這為通過(guò)B超成像準(zhǔn)確判定泥沙的啟動(dòng)狀況提供了有效特征。定義術(shù)語(yǔ)粒子濃度每幀圖像所含懸移粒子的數(shù)目，用N表示?；A(chǔ)濃度靜水中每幀圖像所含懸移粒子濃度，用NO表示。水流速度用V表示,單位cm/s。濃度變化率Λ N/Λ V，用U表示。相對(duì)濃度N/(NO)，用S表示。根據(jù)不同沙質(zhì)多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，本發(fā)明建立了以下基于B超成像的泥沙啟動(dòng)流速的判定法則
1、粒子濃度N顯著增加到基礎(chǔ)濃度NO的3飛倍以上且Ν>30；
2、粒子濃度的相對(duì)變化率達(dá)到10(Γ200顆/cm/s。 以上兩個(gè)條件同時(shí)滿足對(duì)應(yīng)的最小流速即為泥沙的啟動(dòng)流速?；谏鲜雠卸?zhǔn)則，本發(fā)明提供的測(cè)量泥沙啟動(dòng)流速的方法為
①、從流速為零開始，利用B超儀測(cè)量并記錄河床邊界上方懸移粒子濃度，所述粒子濃度為每幀圖像所含懸移粒子的數(shù)目，用N表示；
②、逐步增加水流速度，測(cè)量并記錄懸浮粒子濃度及濃度變化率，所述水流速度用V表示，單位cm/s，所述濃度變化率為Λ N/ Λ V ;
③、當(dāng)懸浮粒子濃度超過(guò)靜水中懸浮粒子濃度的3飛倍且Ν>30，懸浮粒子的濃度變化率達(dá)到10(Γ200時(shí)判定此時(shí)的水流速度為泥沙啟動(dòng)流速，測(cè)量此時(shí)的水流速度為泥沙的啟動(dòng)流速。測(cè)量水流速度可用常用的流速儀如旋槳流速儀、ADV流速儀或電磁流速儀等。本發(fā)明方法采用B超成像儀，對(duì)啟動(dòng)流速試驗(yàn)設(shè)施的水下河床邊界和懸移沙粒直接進(jìn)行成像，獲取泥沙粒子運(yùn)動(dòng)的直觀視頻圖像信息，通過(guò)分析床面附近懸移粒子濃度的變化特征，結(jié)合流速儀測(cè)得的流速，最終給出泥沙的啟動(dòng)流速。這種方法有以下優(yōu)點(diǎn)1、適應(yīng)性較強(qiáng)。由于超聲波在水下有良好的穿透性，混水流和清水流都能獲得比較清晰的圖像。
2、能夠?qū)λ髦袘乙粕沉＿M(jìn)行定量分析，從而建立定量、客觀、一致的判定標(biāo)準(zhǔn)。3、可利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)分析處理，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)流速的自動(dòng)測(cè)量。


圖I平均粒徑為O. Imm沙粒圖像。圖2平均粒徑為O. 25mm沙粒圖像。 圖3平均粒徑為O. 5mm沙粒成像。圖4泥沙啟動(dòng)前的水下圖像。圖5泥沙啟動(dòng)后的水下圖像。圖6粒子濃度與流速的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I，通過(guò)B超對(duì)靜止水中塑料沙進(jìn)行成像
試驗(yàn)證實(shí)，根據(jù)所測(cè)粒子的粒度大小，采用醫(yī)用B超儀，選擇合適的超聲波頻率(2. 5^7. 5MHZ)和適當(dāng)?shù)男盘?hào)增益，完全可以獲得水中沙粒的反射圖像。
圖1，2，3是實(shí)際采集到的不同粒徑時(shí)懸移粒子圖像?？梢钥闯?，B超儀可以獲得粒度小至O. Imm的沙粒的清晰圖像。
實(shí)施例2通過(guò)B超對(duì)水中泥沙啟動(dòng)前后進(jìn)行成像
根據(jù)所測(cè)粒子的粒度大小，采用醫(yī)用B超儀，選擇合適的超聲波頻率(2. 5^7. 5MHZ)和適當(dāng)?shù)男盘?hào)增益，獲得水中沙粒啟動(dòng)流速前后河床界面附近水下懸移粒子圖像信號(hào)。如圖4，5所示。圖中亮線為河床邊界，河床上方的亮斑為懸移沙粒的圖像。由圖可以看出，啟動(dòng)前后河床邊界上方懸移粒子數(shù)量發(fā)生了明顯變化。
實(shí)施例3以模型試驗(yàn)塑料沙為例，圖6是該方法實(shí)測(cè)得到的懸移粒子濃度與流速的關(guān)系曲線。從中可以看出當(dāng)流速小于3. llcm/s時(shí)，床面附近懸移粒子濃度很低，曲線平坦，顆粒濃度變化不大，約為每幀8 11顆左右，平均濃度為10顆/每幀(以下稱為基礎(chǔ)濃度，這是由其它一些輕質(zhì)的懸浮物造成的，并非真正的懸浮沙粒)。此時(shí)，人工目視觀察河床界面處沒(méi)有明顯沙粒的啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象；當(dāng)流速增加到3. 21cm/s時(shí)，懸移粒子濃度由每幀10顆增加到每幀27顆，粒子濃度相對(duì)于流速的變化率(即曲線的斜率)為170顆/cm/s，相對(duì)變化倍率(與基礎(chǔ)濃度的比值)為2. 7，目視觀察河床界面處有沙粒的輕微移動(dòng)；當(dāng)流速增加到
3.33 cm/s時(shí)，懸移粒子濃度猛增到N=47顆/每幀，粒子濃度的變化率為168顆/cm/s，相對(duì)變化倍率為4. 7，人工目視觀察河床界面處有沙粒的明顯移動(dòng)；當(dāng)流速增加到3. 45 cm/s時(shí)，懸移粒子濃度猛增到76顆/每幀，粒子濃度變化率為194顆/cm/s，相對(duì)變化倍率為7. 6。此時(shí)，目視觀察河床界面處有沙粒的顯著移動(dòng)；很顯然，從上面數(shù)據(jù)和目視觀察的結(jié)果來(lái)看，在流速為3. 21cm/s時(shí)，發(fā)生了泥沙的輕微啟動(dòng)，在流速為3. 45cm/s時(shí)泥沙發(fā)生了顯著運(yùn)動(dòng)，所以泥沙臨界啟動(dòng)流速應(yīng)在3. 2Γ3. 45cm/s之間，可取臨界啟動(dòng)流速為3. 33cm/s。不確定度為±0. lcm/s，完全滿足啟動(dòng)流速測(cè)量精度的要求。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量泥沙啟動(dòng)流速的方法，其特征在于包括如下步驟 ①、從流速為零開始，利用B超儀測(cè)量并記錄河床邊界上方懸移粒子濃度，所述粒子濃度為每幀圖像所含懸移粒子的數(shù)目，用N表示； ②、逐步增加水流速度，測(cè)量并記錄懸浮粒子濃度及濃度變化率，所述水流速度用V表示，單位cm/s，所述濃度變化率為Λ N/ Λ V ; ③、當(dāng)懸浮粒子濃度超過(guò)靜水中懸浮粒子濃度的3飛倍且Ν>30，同時(shí)懸浮粒子的濃度變化率達(dá)到10(Γ200顆/ (cm/s)時(shí)，判定此時(shí)的水流速度為泥沙啟動(dòng)流速，測(cè)量此時(shí)的水流速度為泥沙的啟動(dòng)流速。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測(cè)量泥沙啟動(dòng)流速的方法，其特征在于，測(cè)量水流速度用旋槳流速儀、ADV流速儀或電磁流速儀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測(cè)量泥沙啟動(dòng)流速的方法，包括如下步驟、從流速為零開始，利用B超儀測(cè)量并記錄河床邊界上方懸移粒子濃度，所述粒子濃度為每幀圖像所含懸移粒子的數(shù)目，用N表示；、逐步增加水流速度，測(cè)量并記錄懸浮粒子濃度及濃度變化率，所述水流速度用V表示，單位cm/s，所述濃度變化率為ΔN/ΔV；、當(dāng)懸浮粒子濃度超過(guò)靜水中懸浮粒子濃度的3~6倍且N>30，同時(shí)懸浮粒子的濃度變化率達(dá)到100~200顆/(cm/s)時(shí)，判定此時(shí)的水流速度為泥沙啟動(dòng)流速，測(cè)量此時(shí)的水流速度為泥沙的啟動(dòng)流速。本發(fā)明方法能夠?qū)λ髦袘乙粕沉＿M(jìn)行定量分析，從而建立定量、客觀、一致的判定標(biāo)準(zhǔn)。
文檔編號(hào)G01P5/24GK102830246SQ201210314718
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月30日
發(fā)明者馬志敏, 趙小紅, 胡向陽(yáng), 許明, 鄒先堅(jiān) 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)