[发明专利]稀性泥石流垂向流速分布、表面流速、平均流速测量方法

说明书

本发明公开稀性泥石流垂向流速分布、表面流速、平均流速测量方法。针对现有技术测量稀性泥石流垂向流速分布的方法不适用于泥石流监测与防治领域中实际相对简陋的工况条件的缺陷，本发明提供稀性泥石流垂向流速分布测量方法。该方法是一种在考虑固‑液两相的相间拖曳作用的前提下，基于固‑液两相的力平衡方程的测量方法。本发明提供了该测量方法在优化后的一种具体计算模型。本发明同时提供稀性泥石流表面流速测量方法与平均流速的测量方法。本发明测量方法科学合理、运算量小，所需各基础数据均能够借助传统泥石流监测试验设备获取。方法能够满足泥石流灾害监测防治技术现实条件下的稀性泥石流流速测量需要，为防灾减灾提供便捷的基础技术支持。

技术领域

本发明涉及一种测量方法，特别是涉及稀性泥石流垂向流速分布、平均流速、表面流速三种速度量的测量方法，属于运动多相流体测量技术、山地灾害监测与防治技术领域。

背景技术

在泥石流监测与防治技术领域中，泥石流运动流速是最重要的参量之一。多种流速指标(如平均流速、表面流速、流速分布等)既是泥石流体运动特征研究的重要指标，也是各类泥石流防治工程构筑体设计的重要指标。

泥石流通常被认为是一种特殊的固-液两相流体，其中液相为细颗粒和水组成的液相浆体，固相由泥石流中的粗颗粒物质组成。稀性泥石流是以水为主要成分、粘性土含量少、固体物质占20％～45％的一类具有很大分散性特征的泥石流类型。稀性泥石流中水是搬运介质，裹挟石块以滚动或跃移方式前进。同时，泥石流体在运动过程中由于细颗粒含量较少，液相浆体表现出了强烈的紊动特性。因而，稀性泥石流固液相分散的特征使其在运动过程中，固-液两相在各具运动特征同时又相互瞬时碰撞作用复杂，都导致对稀性泥石流动力学研究的难度。尤其是稀性泥石流体中，固-液两相速度差引起的固-液相间作用使得泥石流运动垂向流速分布测量难度极大。一直以来，对稀性泥石流垂向流速分布及其表面流速的测量都是领域内最为关注的问题之一。

刘岩等，《稀性泥石流垂向流速特性试验研究》(上海《水动力学研究与进展》杂志社会议论文集，2015年)一文提供了一种稀性泥石流垂向流速测量方法。该方法利用粒子图像测速仪(PIV)研究颗粒及水力坡度对稀性泥石流垂向流速特性，需要一套完善的硬件设备，且对硬件图形图像处理性能要求较高，只能在内业试验性研究中采用，无法在泥石流监测与防治领域中实际相对简陋的工况条件下适用。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供稀性泥石流的流速测量方法。该方法能够利用传统泥石流监测设备采集的基础数据，完成稀性泥石流垂向流速分布、表面流速、平均流速的测量。

为实现上述目的，本发明首先提供一种稀性泥石流垂向流速分布测量方法，其技术方案如下：

一种稀性泥石流垂向流速分布测量方法，其特征在于：依如下步骤实施：

步骤S1、在测量现场设立测量断面，现场调查确定测量断面基本参数；

步骤S2、建立以稀性泥石流固—液两相的相间速度差u从任意垂向深度位置z到自由面高度h的积分值微分方程式1

采用中心差分格式对的二阶导数进行离散，得到离散后的非线性方程组，再利用牛顿迭代法求解，得到u在测量断面上从任意垂向深度位置z(i)到自由面h的积分值

步骤S3、根据步骤S2所求解的建立稀性泥石流固相速度u_s从任意垂向深度位置z到自由面高度h的积分值的微分方程式2

采用中心差分格式对的二阶导数进行离散得到的线性代数方程组，再利用追赶法求解，得到稀性泥石流固相流速u_s(i)在测量断面上从任意垂向深度位置z(i)到自由面h的积分值

步骤S4、根据步骤S2所求解的建立稀性泥石流液相速度u_f从任意垂向深度位置z到自由面高度h的积分值的微分方程式3