CN205317446U - 一种观测泥沙起动运动和测量起动流速的模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种观测泥沙起动运动和测量起动流速的模型试验装置，包括由电源(1)、激光光源(2)和激光柱面镜(3)组成的光源系统；由摄像机(4)、视频图像采集卡(5)和计算机(6)组成得视频图像采集处理系统；由双通道循环玻璃水槽(7)、变频器(8)、水泵(9)、稳流器(10)、水管(11)、拦沙网(12)和挡光板(13)组成的水循环控制系统。在观测泥沙起动运动和测量起动流速时，将激光光源系统产生柱面平面光照亮床底泥沙，摄像机拍摄照亮的床面泥沙运动情况，并把视频图像传输到计算机上处理，观测泥沙起动运动情况，分析泥沙颗粒浓度，从而实现泥沙起动流速的测量。本实用新型具有分辨率高、实时性强、直观可视、操作方便快捷的优点。

Description

一种观测泥沙起动运动和测量起动流速的模型试验装置

技术领域

本实用新型属于模型试验观测技术领域，特别涉及一种观测泥沙起动运动及测量泥沙起动流速的装置。

背景技术

在水槽模型试验中，泥沙起动运动的观测对泥沙运移规律和河床冲刷淤积的研究具有十分重要的意义。河床泥沙运移规律和冲刷淤积过程大多始于泥沙起动运动，进而产生不平衡输沙，再到平衡输沙的过程。泥沙的起动运动是指在一定的水流条件下，床面上的泥沙颗粒由静止转为运动的现象。泥沙从静止状态转为运动状态时所对应的水流速度称为泥沙起动流速。当水流速度小于等于泥沙起动流速时，泥沙基本上处于静止状态；当水流速度大于泥沙起动流速时，泥沙基本上处于运动状态。因此，泥沙起动流速的测量对泥沙起动运动的研究具有重要的意义。

然而，现有泥沙起动运动的观测途径和起动流速的测量方法还比较落后，主要依靠人工观察的方法，即由人工调整试验水槽中的流速，并通过人工目视观察试验水槽床面泥沙的起动情况，进而判定泥沙是否进行起动运动、是否达到泥沙的起动流速。这种方法存在以下问题：（1）受人为因素影响较大，不同人员、不同的习惯、不同光照条件可能得出不同临界起动流速；（2）缺乏合理的、定量的、客观一致的判别依据，人为随意性很大。（3）受水流透明性影响较大。在含沙水流中往往会有很多微小的尘粒，长时间悬浮在水中，尤其是流动的水中，使得水体混浊，实验人员根本无法看清床面泥沙的运动情况。同时，也导致普通光学CCD照相机的摄像方法很难看清楚水下床面的泥沙颗粒运动状态情况，因而无法判定泥沙的起动状态。

另外，基于超声波成像方法的泥沙运动观测装置和B超成像测量方法，由于超声成像探测距离短，超声成像的分辨率也较低，远不及光学方法，因而水下床面上的泥沙颗粒根本无法分辨。如此同时泥沙颗粒的运动成像也容易使泥沙成像光斑发生形变，进一步导致床面泥沙颗粒的运动状态模糊不清，因而无法判定泥沙起动，也很难进行泥沙运动状态和泥沙起动流速的精细化分析。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种模型试验中观测泥沙起动运动和测量起动流速的装置。

由于超声扫描成像方法所获得实时图像很难分清床面上的泥沙运动颗粒，并且分辨率很低，于是本装置采用分辨率高的光学摄像装置，并在此基础上补充激光光源，进行泥沙起动运动的观测分析。

本实用新型所提供的一种观测泥沙起动运动及测量泥沙起动流速的模型试验装置，包括光源系统、视频图像采集处理系统、水循环控制系统；所述光源系统包括电源(1)、激光光源(2)和激光柱面镜(3)；电源（1）与激光光源（2）连接，激光光源（2）与激光柱面镜（3）连接；所述视频图像采集处理系统包括依次连接的摄像机(4)、视频图像采集卡(5)、计算机(6)；所述水循环控制系统包括双通道循环玻璃水槽(7)、变频器(8)、水泵(9)、水管(11)；双通道循环玻璃水槽(7)中的每个通道分别通过一个水管(11)与水泵(9)连接，变频器(8)与水泵(9)连接。

所述双通道循环玻璃水槽(7)包括一个入水通道和一个出水通道，入水通道与水泵的入水口连接，出水通道与水泵的出水口连接，两个通道之间通过玻璃层隔离，玻璃层上开设有水流出口，水流出口上设置有拦沙网(12)。

还包括有稳流器(10)，稳流器（10）设置在出水通道内。

还包括有挡光板(13)，挡光板（13）固定在双通道循环玻璃水槽(7)外面。

所述激光柱面镜（3）设置于双通道循环玻璃水槽(7)的水面上方，所述摄像机（4）设置在双通道循环玻璃水槽(7)的侧面。

本实用新型采用激光柱面镜和摄像机等构成的泥沙起动运动观测系统，对起动流速观测试验的河床边界和悬移沙粒直接进行成像，获取泥沙颗粒起动运动的直观视频图像信息，通过分析床面附近悬移颗粒浓度的变化特征，结合PIV方法测得的水流速度，最终给出泥沙的起动流速。该装置能够直接观测水下床面泥沙粒子的运动情况，具有定量、客观、一致和快速的优点。

附图说明

图1为本实用新型的结构图；

其中1-电源、2-激光光源、3-激光柱面镜、4-摄像机、5-视频图像采集卡、6-计算机、7-双通道循环玻璃水槽、8-变频器、9-水泵、10-稳流器、11-水管、12-拦沙网、13-挡光板。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实用新型包括光源系统、视频图像采集处理系统、水循环控制系统。

(1)电源1、激光光源2和激光柱面镜3组成光源系统。电源1给激光光源2提高所需的特定电压电流信号；激光光源2产生激光信号给激光柱面镜3；激光柱面镜3置于水面上方，产生特定区域的平面激光，垂直向下照射河床床面。

(2)摄像机4、视频图像采集卡5和计算机6组成视频图像采集处理系统。摄像机4安装在玻璃水槽激光平面照射的侧边，拍摄激光平面内泥沙颗粒运动情况的视频图像；视频图像采集卡5安装在计算机6内采集摄像机内的视频图像，并传输给计算机上的视频图像处理软件（现有软件）；计算机处理泥沙颗粒运动情况的视频图像，并判断泥沙是否起动，是否达到泥沙的起动流速。

(3)双通道循环玻璃水槽7、变频器8、水泵9、稳流器10、水管11、拦沙网12和挡光板13组成水循环控制系统。双通道循环玻璃水槽7盛装特定量的水；变频器8控制水泵9旋转产生特定流速大小的水流；稳流器10用于稳定水流，保证水流平稳；水管11用于连接水泵9和玻璃水槽7；拦沙网12固定在水槽内水流出口，用于拦截被水流冲出的沙粒；挡光板13固定在水槽外面，用于挡住白天太阳光源的影响。

本实用新型采用激光光源直接照亮水下床面泥沙运动颗粒，然后通过摄像机照相，从而获取床面颗粒的视频图像，再依据这些颗粒的视频图像进行分析测量，从而判定泥沙的起动状况。

Claims (5)

1.一种观测泥沙起动运动和测量起动流速的模型试验装置，其特征在于：包括光源系统、视频图像采集处理系统、水循环控制系统；所述光源系统包括电源(1)、激光光源(2)和激光柱面镜(3)；电源(1)与激光光源(2)连接，激光光源(2)与激光柱面镜(3)连接；所述视频图像采集处理系统包括依次连接的摄像机(4)、视频图像采集卡(5)、计算机(6)；所述水循环控制系统包括双通道循环玻璃水槽(7)、变频器(8)、水泵(9)、水管(11)；双通道循环玻璃水槽(7)中的每个通道分别通过一个水管(11)与水泵(9)连接，变频器(8)与水泵(9)连接。

2.根据权利要求1所述的一种观测泥沙起动运动和测量起动流速的模型试验装置，其特征在于：所述双通道循环玻璃水槽(7)包括一个入水通道和一个出水通道，入水通道与水泵的入水口连接，出水通道与水泵的出水口连接，两个通道之间通过玻璃层隔离，玻璃层上开设有水流出口，水流出口上设置有拦沙网(12)。

3.根据权利要求2所述的一种观测泥沙起动运动和测量起动流速的模型试验装置，其特征在于：还包括有稳流器(10)，稳流器(10)设置在出水通道内。

4.根据权利要求3所述的一种观测泥沙起动运动和测量起动流速的模型试验装置，其特征在于：还包括有挡光板(13)，挡光板(13)固定在双通道循环玻璃水槽(7)外面。

5.根据权利要求4所述的一种观测泥沙起动运动和测量起动流速的模型试验装置，其特征在于：所述激光柱面镜(3)设置于双通道循环玻璃水槽(7)的水面上方，所述摄像机(4)设置在双通道循环玻璃水槽(7)的侧面。