[发明专利]基于PIV技术三维观测管涌装置及方法

说明书

本发明提供一种基于PIV技术三维观测管涌装置及方法，其特点是：包括透明填充模型箱、注水池及PIV粒子图像测速系统，PIV粒子图像测速系统包括示踪粒子、两个观察屏照明系统、两架CCD摄像机及计算机采集系统，透明填充模型箱相邻的两侧面上各装配一观察屏照明系统。透明填充模型箱顶板中间为可开闭的管涌口，注水池底部引出一水管与透明填充模型箱底部的进水孔连接，管涌口连接一导管引入沉淀容器。示踪粒子用于填充入透明填充模型箱内。采用PIV粒子图像测速技术，利用其矢量图技术和观察屏照明系统，有效地解决PIV激光无法将激光照射面定位管涌口，并且能够有效地反应其荧光砂管涌的矢量场。其测定方法简单，测定精度高。

技术领域

本发明属于水利工程技术领域,涉及堤坝质量的检测分析方法，具体说是一种基于PIV技术三维观测管涌装置及方法。

背景技术

我国长期受到洪水等灾害的侵扰，黄河与长江中下游的平原地区其洪灾最为频繁与厉害，其中堤防的破坏中管涌、漫顶、崩岸和整体失稳等各种破坏形式组合，经过各项灾害统计后，其堤坝各项灾害中，其中管涌的危害最大。黄河与长江的沿岸经济建设需要建设一个避免洪灾危害的安全的建设环境，需要对管涌所产生的非线性的动态过程中的水土相互作用产生的渗流场，其细粒土颗粒在渗流过程中系统几何特性以及水利特性的复杂变化，得到孔隙率、水头、水头梯度等量的动态变化，因此，在整个渗流过程中，对于土颗粒的移动特性、细土颗粒流失的分布特性，以及渗透通道的贯穿进行观测与分析。

目前，对于渗透参数以及管涌机理的研究的观测手段一般有如下几种方式：1）不同的专家运用电场或者高清数码摄像机等手段进行分析观测，但是，应用点流场模拟渗流场，无法模拟出颗粒流动特性，对于管涌作用的机理以及后期恶化等现象无法观测；2）用高清数码以及先进数字图像实验分析手段，可以对管涌进行线管研究，但是，仅仅可以检测到不同细粒的土颗粒在不同水头梯度的压力下其位移的大小，以及宏观的表层颗粒的流动变化，不能对于其管涌内部的细土颗粒进行观测，也无法对细土的颗粒移动方向以及流速等流体特征观测；3）利用通用PIV平台，设计激光组，利用不同的追踪粒子，根据激光组的照射频率与拍照频率相结合，根据追踪粒子的流动来拍摄其管涌出现的位置以及相关颗粒情况，但是，其由于追踪粒子的价格较高，因而此数量较少，不能完全反应土层的具体破坏特征，且其激光发射源位置要求较高，一般只能针对某一断面进行拍摄，不能够三维显示管涌出现的具体位置以及相关破坏形式。

现有PIV粒子图像测速技术其包括硬件与软件两大部分，硬件为示踪粒子以及成像系统（激光器，CCD摄像机，采集计算机），软件为图像后期处理系统，利用一般的反光性能良好的示踪粒子，根据激光的反射进行反应其粒子的移动位置以及方向，并通过CCD摄像机的拍摄，从而反映出示踪粒子的位移以及不同时刻流速以及相关方向。

如何设计一种基于PIV技术三维观测管涌装置及方法，针对传统的PIV粒子图像测速技术，利用其矢量图技术，采用新的光源形式替代其激光光源，有效地解决PIV激光无法将激光照射面定位管涌口，并且能够有效地反应其荧光砂的管涌的矢量场。这是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的上述问题，提供一种基于PIV技术三维观测管涌装置及方法，采用PIV粒子图像测速技术,新的光源形式替代原有的激光光源，有效地解决PIV激光无法将激光照射面定位管涌口，并且能够有效地反应其荧光砂的管涌的矢量场；其实验方法简单，测定精度高；另外，可以实现多因素条件下三维观测管涌的测定方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：