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申请/专利权人：重庆交通大学

摘要：发明提供一种基于PIV和PTV技术的水力侵蚀细观机理观测装置及试验方法。该装置包括模型盒、上游水头施加装置、水桶、水泵、数码单反相机、激光灯头、荧光染料、紫外光源以及多根硅胶软管。所述模型盒包括顶盖和底座。工作时，所述模型盒内放置有试样，使用激光光源标记示踪粒子，使用紫外光源标记染色颗粒，交替使用两种光源进行图像采集后，使用PIV和PTV技术进行图像处理。装置的试验方法包括试样前期预处理、试样安装、图像采集、图像处理等步骤。本装置能够在一次试验中同时获得水力侵蚀过程中流场的流动信息和物体的运动信息，便于操作和实现，避免了重复试验之间的系统误差，降低了试验工作量，提高试验数据获取的准确性。

主权项：1.一种基于PIV和PTV技术的水力侵蚀细观机理观测试验方法，其特征在于：基于PIV和PTV技术的水力侵蚀细观机理观测装置包括透明模型盒（1）、上游水头施加装置（2）、水箱（3）、水泵（4）、数码相机（5）、激光发生器（6）、紫外光源（7）和测压管（8）；所述透明模型盒（1）包括试样盒本体（101）、顶盖（102）、上隔板（103）、下隔板（104）和支脚（105）；所述试样盒本体（101）整体为一个上端敞口的矩形盒；所述试样盒本体（101）的底板上开设有模型盒入水口；所述试样盒本体（101）的上端敞口采用顶盖（102）封堵；所述试样盒本体（101）的底板下方设置有若干支脚（105）；所述上隔板（103）和下隔板（104）为多孔板；所述上隔板（103）和下隔板（104）布置在试样盒本体（101）的内腔中；所述上隔板（103）和下隔板（104）将试样盒本体（101）的内腔分隔出上缓冲区、试样区和下缓冲区；所述试样盒本体（101）在上缓冲区处的侧壁上设置有模型盒出水口；所述试样盒本体（101）在试样区处的侧壁上设置有若干测压孔；所述上缓冲区和下缓冲区内填筑有卵砾石；所述试样区中填筑有试样（9）；所述试样（9）采用未染色透明固体颗粒（901）和染色透明固体颗粒（902）均匀混合制得；所述未染色透明固体颗粒（901）选用熔融石英砂；熔融石英砂采用荧光染料染色后成为染色透明固体颗粒（902）；所述染色透明固体颗粒（902）的粒径区间为0.5～1mm；所述上游水头施加装置（2）包括外桶（201）、内桶（202）和支架（203）；所述内桶（202）布置在外桶（201）的内腔中；所述内桶（202）的桶底开设有内桶入水口和内桶出水口；所述外桶（201）的桶底在内桶入水口和内桶出水口位置处设置有对应的孔洞；所述内桶入水口通过管路与水泵（4）的出水口连接；所述内桶出水口通过管路与模型盒入水口连接；所述内桶出水口与模型盒入水口之间的管路上设置有阀门（204）；所述外桶（201）的桶底还设置有外桶出水口；所述支架（203）包括底座和立柱；所述立柱的下端固定在底座的上表面；所述立柱侧壁上竖直设置有拖曳导轨以及与拖曳导轨配合的滑块；所述外桶（201）的外壁挂载于滑块上；通过滑块外桶（201）可沿竖直方向运动；所述水箱（3）中盛放有透明溶液；所述透明溶液的折射率与未染色透明固体颗粒（901）的折射率相同；所述透明溶液选用溴化钙溶液；所述透明溶液中混合有示踪粒子；所述水泵（4）的入水口通过管路与水箱（3）连接；所述外桶出水口通过管路与水箱（3）连接；所述模型盒出水口通过管路与水箱（3）连接；所述数码相机（5）和激光发生器（6）布置在透明模型盒（1）外侧；所述紫外光源（7）布置在透明模型盒（1）上方；工作时，水泵（4）抽取水箱（3）中的透明溶液并输送到内桶（202）中；内桶（202）被透明溶液灌满；透明溶液漫出到外桶（201）中并经外桶出水口回流至水箱（3）中；内桶（202）中的透明溶液经内桶出水口和模型盒入水口流入透明模型盒（1）；透明溶液与试样（9）混合；透明溶液注满透明模型盒（1）后，通过模型盒出水口流入水箱（3）内；透明溶液形成稳定循环；所述激光发生器（6）发射激光在透明模型盒（1）内部形成激光切面；所述紫外光源（7）向透明模型盒（1）发射紫外光；所述数码相机（5）对透明模型盒（1）进行拍摄；所述数码相机（5）的镜头轴线垂直于激光面；试验方法包括以下步骤：1使用荧光染料对透明固体颗粒染色并烘干，得到染色透明固体颗粒（902）；2将染色透明固体颗粒（902）与未染色透明固体颗粒（901）均匀混合，制得试样（9）；3按预设密实度将试样（9）填筑于试样区；在盛放于水箱（3）内的透明溶液中添加示踪粒子，得到混合液；4通过滑块调节外桶（201）高度，使外桶（201）底部与试样顶部平齐；关闭阀门（204）；5启动水泵（4），水箱（3）中的混合液注入至内桶（202）中；6待混合液漫出内桶（202）后，打开阀门（204）；混合液缓慢注入至试样区；混合液与试样（9）混合；7待透明模型盒（1）中混合液液面达到预设位置，关掉阀门（204），使用顶盖（102）密封透明模型盒（1）；8打开阀门（204），混合液注满透明模型盒（1）后回流入水箱（3）中；9调节外桶（201）高度获得预定的混合液水头；10待混合液循环稳定后，打开激光发生器（6），激光在试样（9）中形成激光面；11数码相机（5）聚焦在激光面上，录制30s图像；12关闭激光发生器（6）；打开紫外光源（7）；若染色透明固体颗粒（902）运动则保持数码相机位置不变录制30s图像后进行步骤13；若染色透明固体颗粒（902）保持静止则进行步骤14；13当染色透明固体颗粒（902）稳定后，关闭紫外光源（7）；打开激光发生器（6），数码相机（5）录制30s图像；14将透明模型盒（1）排出的溶液引入量筒中，测量一段时间后宏观状态下的流量Q，测压管（8）记录侵蚀过程中的水力梯度；15改变激光发生器（6）和数码相机（5）的位置，交替打开激光发生器（6）和紫外光源（7）获得多幅图像；16对图像使用PIV和PTV进行处理和数据分析，获得水力侵蚀过程中流场的流动信息和颗粒的运动信息；17调整水头高度、试样级配和试样密实度，重复上述过程。

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百度查询： 重庆交通大学 一种基于PIV和PTV技术的水力侵蚀细观机理观测装置及试验方法