明槽水流中颗粒运动特性的试验研究_王殿常

文章编号:1005-0930(2000)-03-0301-05 中图分类号:TV 143 文献标识码:A

明槽水流中颗粒运动特性的试验研究

王殿常,　禹明忠,　王兴奎

(清华大学水利系河流海洋研究所,北京100084)

摘要:将改进的PTV 用于测量明槽水流中的颗粒运动,对三种粒径(d =

0.55m m 、0.95m m 和1.55m m)的塑料沙进行试验,得到了大量的颗粒运动轨

迹,并对颗粒的运动学特性进行了分析.研究结果表明,颗粒运动轨迹可分为上

升、下降和平移三种基本类型,颗粒以不同类型运动时其纵向、垂向的运动速度

以及颗粒的受力情况均明显不同,特别是在近底区.按颗粒运动的三种类型给出

了一些典型轨迹,并得出了颗粒纵向平均运动速度分布以及按三种运动类型进

行条件平均的纵向、垂向平均速度分布等研究成果.

关键词:P TV ;明槽水流;颗粒运动

流动显示和图像处理技术从20世纪70年代开始在流体测量中出现并于80年代后得到了较大发展和广泛应用,这一技术为流体力学和固液两相流的试验研究开辟了广阔的前景.陈景仁[1]对80年代以来的研究成果作了系统的介绍和评述.李玉梁等人[2]对近年来用图像处理技术测量流场物理量的研究亦作了较全面的介绍.PTV (Particle Tracking Velocim etry ,颗粒示踪测速技术)是用来测量流体中示踪颗粒运动速度的一种手段,王兴奎[3]和禹明忠①在这方面进行了研究,特别是在应用PTV 测量大尺度物理模型试验流场方面有独到之处.PTV 的主要优点是非接触式的测量,不干扰要施测的流场,能同时获得整个剖面的瞬时流速场.在低浓度固液两相流中,用于测量大颗粒的运动时PTV 更具优势.

流体作用下的颗粒运动规律是低浓度固液两相流的基本问题和研究的重点,也是研

究高浓度固液两相流中颗粒和紊流相互作用的基础.这方面的理论成果以Tchen ②、

Hinze [4]、Rizk &Elghobashi [5]

等人的研究工作最具代表性,主要以颗粒运动方程即BBO 方程为基础,但都限于较为简单的流动情况或针对跟随性较好的小颗粒,对于解决实际问

第8卷3期2000年9月 应用基础与工程科学学报JO U RN A L O F BASIC SCIEN CE AN D EN GIN EE RIN G

Vol.8,No.3Septem ber 2000 ①Yu M ing zhong,W ang Xing kui,W ang Dianchang ,et al .Application of PTV to Flow Field M easu rement in

Large-scale Physical M odels,9th (M illennium )In ternational Symposium on Flow Visualization,Edinbu rgh,收稿日期:2000-08-11;修订日期:2000-09-25基金项目:国家自然科学基金重大项目资助(59890200)

作者简介:王殿常(1973—),男,博士研究生,主要从事水力学与河流动力学的研究

DOI:10.16058/j.i ssn.1005-0930.2000.03.011

题仍有较大的距离.鉴于问题的困难性和复杂性,基于图像处理技术的试验研究一直倍受研究者的青睐.Sumer &Og u [6]、Sumer &Deig aa rd [7]采用照相技术分别在光滑和粗糙两种床面情况下进行试验,重点研究了颗粒的运动特性,结果表明,两种床面情况下的颗粒运动特征是相似的,并试图对颗粒的悬浮机理进行解释;Nino &Garcia [8]

采用高速摄像技术对明槽水流近底区颗粒和紊流的相互作用进行了试验研究,对颗粒被挟带过程中的运动特点进行了分析,结果表明,颗粒运动速度的纵向分量比当地的水流平均速度小得多,垂向分量比当地水流垂向脉动速度大得多.国内学者应用PTV 对颗粒运动进行试验研究的并不多见,李丹勋①采用单帧单脉冲PTV 对悬移质颗粒的运动特性进行了较为系统的量测和分析,重点研究了悬移质颗粒的脉动特性,丰富了人们对于主流区颗粒运动规律的认识,但这种PTV 方式不能跟踪颗粒的多步运动,无法得到颗粒的运动轨迹,因此,该方法用于研究颗粒在运动过程中的运动学和动力学特性等细节问题时有很大的局限性.王煊等[9]采用图像处理技术测量了不同密度和粒径的颗粒在水流中的运动,得到了颗粒的运动轨迹和速度分布,但他们只是测得了悬浮颗粒的下降运动,也没有对颗粒的运动学和动力学特性进行深入分析.

本文在文献[3]和禹明忠②工作的基础上,开发了能测量颗粒运动轨迹的单帧PTV ,将其用于测量明槽水流中的颗粒运动,在试验结果的基础上详尽分析了颗粒的运动学特性,特别是在近底区运动的颗粒.1　试验设备与试验方法

1.1　试验设备

试验水槽长16.8m,深40cm,宽度b =30cm ,坡降可调,试验测量段位于进口12m 处,保证水流充分调整.测量段的槽底约1m 长度换成平板玻璃,下面放置片光源装置,

自下

图1　试验系统组成示意图

Fig.1　Schema tic v iew o f the ex perimental set-up

302

应用基础与工程科学学报 V o l .8

而上照亮水槽中心线位置的一个立面,试验所用片光源由李丹勋①研制和开发.在水槽侧面安装摄像机,拍摄颗粒在立面内的运动情况,通过计算机内的图像卡将模拟信号数字化,可进行颗粒运动情况的定量分析.整个系统的基本组成见图 1.摄像机的拍摄频率为每秒25帧,图像采集卡的分辨率为768×576,灰度为256级.

1.2　PTV 测量技术

PTV 测速的基本原理是根据速度的定义V =lim t 2→t 1r 2-r 1t 2-t 1=lim Δt →0Δr Δt (1)

在已知的较短时间间隔内,测量示踪粒子的位移,从而确定该点速度的大小和方向.PTV 技术有单帧和多帧两种方式,单帧方式又分为单脉冲和多脉冲两种情况.在单帧单脉冲方式下,某一示踪粒子的运动轨迹会在单帧图像上划出一条短线,短线长度即为该粒子在一帧的场频时间间隔内所运动的距离.

本文仍然采用单帧单脉冲的PTV 方式,只是在已有的工作基础上进行适当改进,使之可以测量颗粒的运动轨迹.以禹明忠②的软件为基础,改为单帧采集方式,将颗粒在单帧图像上所划的短线聚合为一个点,得到该颗粒在该图像中的位置,继续进行采集,

直到

图2　单帧P TV 采集过程示意图

Fig.2　Illust ration of the sampling pro cess o f single fra me P TV

No 303.3 王殿常等:　明槽水流中颗粒运动特性的试验研究