明渠瞬时床面切应力粒子图像测量技术

摘要

床面切应力瞬时值的实验测量极为重要但富有挑战。为了利用粒子图像技术准确测量瞬时床面切应力，采用模拟不同图像和流动参数的合成粒子图片对粒子图像测速技术（PIV）、粒子图像示踪技术（PTV）和直线相关PIV技术（LCPIV）的测量精度进行分析，发现各技术在床面附近的测量精度均因床面影响而变差，其中，PIV技术受影响的范围距床面不小于判读窗口高度，PTV及LCPIV技术受影响的范围等于粒子图像半径；在床面影响范围外，PTV技术可实现无偏差测量，并在粒子图像密度较小且粒径适中时拥有高于PIV和LCPIV的精度。比较而言，PTV技术更适于测量瞬时床面切应力。将PTV技术用于雷诺数分别为8 007和11 462的明渠均匀紊流瞬时床面切应力试验测量，进一步验证了该技术无偏差、高精度测量的能力；发现了明渠紊流瞬时床面切应力不符合高斯分布，离散系数约为0.4，偏度系数和峰度系数随雷诺数增大而逐渐变大。研究结论为明渠紊流瞬时床面切应力的实验测量提供理论依据和实践参考。

关键词

瞬时床面切应力 / 粒子图像测量技术 / 统计特性 / 明渠紊流

基金资助

水沙科学与水利水电工程国家重点实验室开放基金（sklhse–2020–B–03）; 中央高校基本科研业务费专项资金（2020JBM044）