[發明專利]稀性泥石流垂向流速分布、表面流速、平均流速測量方法

有效

• 申請號: 202010955598.5
• 申請日: 2020-09-11
• 公開（公告）號: CN112100567B
• 公開（公告）日: 2023-06-06
• 發明（設計）人: 唐金波;陳曉清;胡凱衡;陳華勇;陳劍剛;趙萬玉
• 申請（專利權）人: 中國科學院;水利部成都山地災害與環境研究所
• 主分類號: G06F17/13
• 分類號: G06F17/13;G06F17/12;G06F17/11;G01P5/00
• 代理公司: 成都賽恩斯知識產權代理事務所(普通合伙) 51212
• 代理人: 張帆;張端陽

本發明公開稀性泥石流垂向流速分布、表面流速、平均流速測量方法。針對現有技術測量稀性泥石流垂向流速分布的方法不適用于泥石流監測與防治領域中實際相對簡陋的工況條件的缺陷，本發明提供稀性泥石流垂向流速分布測量方法。該方法是一種在考慮固?液兩相的相間拖曳作用的前提下，基于固?液兩相的力平衡方程的測量方法。本發明提供了該測量方法在優化后的一種具體計算模型。本發明同時提供稀性泥石流表面流速測量方法與平均流速的測量方法。本發明測量方法科學合理、運算量小，所需各基礎數據均能夠借助傳統泥石流監測試驗設備獲取。方法能夠滿足泥石流災害監測防治技術現實條件下的稀性泥石流流速測量需要，為防災減災提供便捷的基礎技術支持。

技術領域

本發明涉及一種測量方法，特別是涉及稀性泥石流垂向流速分布、平均流速、表面流速三種速度量的測量方法，屬于運動多相流體測量技術、山地災害監測與防治技術領域。

背景技術

在泥石流監測與防治技術領域中，泥石流運動流速是最重要的參量之一。多種流速指標(如平均流速、表面流速、流速分布等)既是泥石流體運動特征研究的重要指標，也是各類泥石流防治工程構筑體設計的重要指標。

泥石流通常被認為是一種特殊的固-液兩相流體，其中液相為細顆粒和水組成的液相漿體，固相由泥石流中的粗顆粒物質組成。稀性泥石流是以水為主要成分、粘性土含量少、固體物質占20％～45％的一類具有很大分散性特征的泥石流類型。稀性泥石流中水是搬運介質，裹挾石塊以滾動或躍移方式前進。同時，泥石流體在運動過程中由于細顆粒含量較少，液相漿體表現出了強烈的紊動特性。因而，稀性泥石流固液相分散的特征使其在運動過程中，固-液兩相在各具運動特征同時又相互瞬時碰撞作用復雜，都導致對稀性泥石流動力學研究的難度。尤其是稀性泥石流體中，固-液兩相速度差引起的固-液相間作用使得泥石流運動垂向流速分布測量難度極大。一直以來，對稀性泥石流垂向流速分布及其表面流速的測量都是領域內最為關注的問題之一。

劉巖等，《稀性泥石流垂向流速特性試驗研究》(上海《水動力學研究與進展》雜志社會議論文集，2015年)一文提供了一種稀性泥石流垂向流速測量方法。該方法利用粒子圖像測速儀(PIV)研究顆粒及水力坡度對稀性泥石流垂向流速特性，需要一套完善的硬件設備，且對硬件圖形圖像處理性能要求較高，只能在內業試驗性研究中采用，無法在泥石流監測與防治領域中實際相對簡陋的工況條件下適用。

發明內容

本發明的目的就是針對現有技術的不足，提供稀性泥石流的流速測量方法。該方法能夠利用傳統泥石流監測設備采集的基礎數據，完成稀性泥石流垂向流速分布、表面流速、平均流速的測量。

為實現上述目的，本發明首先提供一種稀性泥石流垂向流速分布測量方法，其技術方案如下：

一種稀性泥石流垂向流速分布測量方法，其特征在于：依如下步驟實施：

步驟S1、在測量現場設立測量斷面，現場調查確定測量斷面基本參數；

步驟S2、建立以稀性泥石流固—液兩相的相間速度差u從任意垂向深度位置z到自由面高度h的積分值微分方程式1

采用中心差分格式對的二階導數進行離散，得到離散后的非線性方程組，再利用牛頓迭代法求解，得到u在測量斷面上從任意垂向深度位置z(i)到自由面h的積分值

步驟S3、根據步驟S2所求解的建立稀性泥石流固相速度u_s從任意垂向深度位置z到自由面高度h的積分值的微分方程式2

采用中心差分格式對的二階導數進行離散得到的線性代數方程組，再利用追趕法求解，得到稀性泥石流固相流速u_s(i)在測量斷面上從任意垂向深度位置z(i)到自由面h的積分值

步驟S4、根據步驟S2所求解的建立稀性泥石流液相速度u_f從任意垂向深度位置z到自由面高度h的積分值的微分方程式3