岸灘表面流速拉格朗日粒子追蹤測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種岸灘表面流速拉格朗日粒子追蹤測量方法，基于拉格朗日方程而測量，在岸灘表面放置拉格朗日粒子，使其跟隨流體運動，實時記錄粒子的運動時間和運動軌跡，并記粒子的勢能為0，動能為mV2/2，通過拉格朗日方程計算出粒子的速度，將粒子的速度記為岸灘表面的流體流速。本發(fā)明以拉格朗日粒子為研究對象模擬岸灘表面的質(zhì)點運動，記錄該質(zhì)點在運動過程中物理量隨時間變化規(guī)律，綜合所有質(zhì)點的運動，能反演整個流體表面流速的變化。避免了現(xiàn)有技術(shù)中，由于以充滿整個空間流場的質(zhì)點為研究對象，而不能有效地描述流體表面流速變化的缺陷，提高了整個測量精度和測量效率，可以進一步研究水流在岸灘上的傳播特點及在灘槽水體間的交換。
【專利說明】岸灘表面流速拉格朗日粒子追蹤測量方法

【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及水工物理模型試驗領域，尤其涉及一種岸灘表面流速拉格朗日粒子追 蹤測量方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 水流表面流速是水體運動的主要特征參量，是水工物理模型試驗觀測的基礎試驗 數(shù)據(jù)之一。國內(nèi)外學者對應用于水工物理模型表面流速測量的方法進行了廣泛地研究，主 要可以分為接觸式和非接觸式兩類。
[0003] 其中，接觸式包括畢托管流速測量法、旋槳式流速測量法、熱線流速測量法和電磁 流速測量法等。由于岸灘水體水深淺，邊界影響大，流態(tài)復雜，因而傳統(tǒng)的接觸式測量方法 受安裝條件的限制，很難達到試驗要求。
[0004] 非接觸式主要有粒子圖像測速技術(shù)（PIV)、光電非接觸式測量技術(shù)等。而粒子圖像 測速技術(shù)（PIV)存在以下方面的技術(shù)問題：
[0005] 1、大多PIV產(chǎn)品是基于快速Fourier變換的互相關(guān)算法，僅適用于粒子濃度高且 粒子圖像在被刪區(qū)不重疊的測量；
[0006] 2、由于水體和岸灘的相互作用，需要涉及到近岸邊界處的速度矢量識別；
[0007] 3、由于激光能量較高，在固體邊界上不可避免會產(chǎn)生強烈的反光，這給按粒子成 像來獲得速度的互相關(guān)算法的使用造成了極大的困難；
[0008] 4、現(xiàn)有的PIV測量技術(shù)是以充滿運動液體質(zhì)點的空間流場為對象，研究各時刻質(zhì) 點在流場中的變化規(guī)律，該方法很難有效地考察水體和污染物在岸灘上的傳播特點及灘槽 水體的交換。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)下測量精度低、測量速度慢的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種岸灘 表面流速拉格朗日粒子追蹤測量方法。該方法以拉格朗日動力學方程為指導，采用粒子 (稱為拉格朗日粒子）跟隨流體質(zhì)點運動，記錄該質(zhì)點在運動過程中物理量隨時間變化規(guī) 律，然后綜合所有質(zhì)點的運動，反演出整個流體表面流速的變化。
[0010] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：
[0011] 一種岸灘表面流速拉格朗日粒子追蹤測量方法，基于拉格朗日方程而測量，拉格 朗日方程如下 ：
[0012]

【權(quán)利要求】
1. 一種岸灘表面流速拉格朗日粒子追蹤測量方法，其特征在于：基于拉格朗日方程：
其中，
是拉格朗日量，是動能減去位勢的差，q = (qi，q2，…，qN)是隨時間 t變化的廣義坐標，
是廣義速度， 在岸灘表面放置拉格朗日粒子，使其跟隨流體運動，實時記錄粒子的運動時間和運動 軌跡，并記粒子的勢能為〇,動能為mV2/2,通過拉格朗日方程計算出粒子的速度，將粒子的 速度記為岸灘表面的流體流速。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的岸灘表面流速拉格朗日粒子追蹤測量方法，其特征在于：在 岸灘表面放置拉格朗日粒子，并實時記錄粒子的運動時間和運動軌跡，計算出速度的方法 為： 設置一流體場，包括水槽，水槽中劃分為主流槽和模擬岸灘兩部分；取模擬岸灘上表面 一段長度作為刻度區(qū)，在刻度區(qū)沿橫、縱兩方向都畫有刻度線； 將拉格朗日粒子，在測量前靜置于起始刻度線上，在水槽中沖入水后粒子隨流體流動； 在水槽的上方用攝像機連續(xù)拍攝粒子的運動圖像，并用計算機擬合成一張完整的圖片，記 錄每幀圖像的拍攝時間和該時刻的粒子的坐標，用拉格朗日方程計算出粒子的運動速度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的岸灘表面流速拉格朗日粒子追蹤測量方法，其特征在于： 所述的拉格朗日粒子有多顆，用不同的顏色標記，通過計算不同粒子的速度的平均值，記為 岸灘表面的流速。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的岸灘表面流速拉格朗日粒子追蹤測量方法，其特征在于： 所述的拉格朗日粒子為輕質(zhì)磁性粒子。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的岸灘表面流速拉格朗日粒子追蹤測量方法，其特征在于：所 述的拉格朗日粒子為輕質(zhì)磁性粒子。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的岸灘表面流速拉格朗日粒子追蹤測量方法，其特征在于：所 述模擬岸灘在主流槽的側(cè)面設置，與主流槽之間形成臺階形式。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的岸灘表面流速拉格朗日粒子追蹤測量方法，其特征在于：在 主流槽的底表面也畫有與岸灘表面同樣的刻度線。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的岸灘表面流速拉格朗日粒子追蹤測量方法，其特征在于：所 述攝像機拍攝范圍應能覆蓋到刻度區(qū)的首尾刻度線，刻度區(qū)并用光源照明。
9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的岸灘表面流速拉格朗日粒子追蹤測量方法，其特征在于：所 述水槽的下游槽壁上設置有磁鐵或其他吸磁裝置。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的岸灘表面流速拉格朗日粒子追蹤測量方法，其特征在 于：所述流體為循環(huán)流體。
【文檔編號】G01P5/20GK104090123SQ201410321741
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月8日
【發(fā)明者】潘冬子, 潘存鴻, 曾劍, 韓海騫 申請人:浙江省水利河口研究院