基于图像处理的明渠紊流近壁区条带结构试验

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1、第26卷第2期水科学进展Vol．26，No．22015年3月ADVANCESINWATEＲSCIENCEMar．，2015DOI:10.14042/j.cnki.32.1309.2015.02.014基于图像处理的明渠紊流近壁区条带结构试验1121王浩，李丹勋，陈启刚，王兴奎(1.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084;2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044)摘要:基于图像处理技术，对明渠紊流近壁区的水流低速条带结构进行了测量和分析。条带结构采用天然沙进行示踪，使用

2、高清相机拍摄高分辨率图像，通过形态学方法提取其几何特征。分析条带的宽度及间距的变化特点，得到结果:①低速条带宽度从水槽中线到两侧壁逐渐变小，沿中线基本呈对称分布;②摩阻雷诺数在276～465范围时，条带宽度和间距量纲一值的变化范围分别为20.8～29.8和99.3～126.7，条带面积占图像总面积百分比为23.4%～15.9%;③随摩阻雷诺数增大，低速条带的宽度和间距加大，而条带面积百分比逐渐减小。试验结果表明，低速条带结构随水流摩阻雷诺数的变化非常复杂，而图像处理技术提供了一种高效率、高精度的测量手

3、段。关键词:明渠;紊流;低速条带;图像处理;摩阻雷诺数中图分类号:TV143文献标志码:A文章编号:1001-6791(2015)02-0257-08紊流近壁区包括边界层的粘性底层和缓冲层，条带结构是紊流近壁区相干结构的重要组成部分，其主要［1］特征为高低速流带沿横向均匀分布。高低速条带结构的广泛研究始于Kline等，使用氢气泡可视化方法，发现边界层水流以不稳定的低速区、高速区相间排列流动，并伴随以低速流体抬升和高速流体向下清扫为主要特征的猝发运动。许多学者对紊流近壁区水流低速条带的宽度、间距和长度等

4、进行了定量观测，并就上述特征尺度获得了［2］许多一致的认识。Kim等通过可视化试验方法，在低摩阻雷诺数条件下对低速条带的横向平均间距进行了+［3］计算，得到平均量纲一间距$=100±20。Gupta等开展不同摩阻雷诺数试验，结果表明条带间距会随着+［4］［5］摩阻雷诺数的增加而增大，当Ｒe*=2170时，$增加到151;Kahler、Carlier和Stanislas在后续的研究［6］+中也观察到相同的条带间距变化趋势。Lin等采用PIV技术，利用图像处理方法分析近壁区14.5＜y＜48范围，得到低速

5、条带面积占总面积的22%～26%。［7］此外一些学者对紊流近壁床面固体颗粒条带结构分布和运动特征也进行了研究。Kaftori等观测了固体颗粒在紊流床面运动、沉积及水流挟带颗粒运动的过程，指出颗粒的带状结构受相干结构影响。Nino和［8］Garcia指出小粒径固体颗粒在床面受水流相干结构的影响，可以形成稳定的条带结构，而大粒径颗粒将会［9］出现不稳定状况。Nezu和Nakagawa提出近壁区相邻纵向涡反向运动，造成固体颗粒横向交换运移，导致［10］固体颗粒聚集在低速区域形成规则的带状结构。Hetsron

6、i计算了固体颗粒条带结构量纲一宽度也在100左右，条带结构量纲一长度范围为1000～2000。以往对近壁区条带结构的研究多采用烟线法、氢气泡法示踪水流流速，通过高低速流带速度的差异性，获得低速条带结构特征尺度，其样本量偏小且无法批量运算，导致处理速度偏慢和精度偏低。且以固体颗粒为低速条带示踪粒子，定量分析低速条带结构特征尺度及与水流条件关系的研究较少。因此，本文在前人研究的基础上，使用天然沙示踪水流条带结构，直接将沙粒堆积的区域表征为近壁区低速流速条带区，通过图收稿日期:2014-10-08;网络出版

7、时间:2015-03-16网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1309.P.20150316.1454.014.html基金项目:国家自然科学基金资助项目(51379101)作者简介:王浩(1985—)，男，安徽蚌埠人，博士研究生，主要从事水力学及河流动力学方面研究。E-mail:wanghao_0512@163.com258水科学进展第26卷像处理方法提取条带，采用统一算法完成较大样本量计算，提高低速条带宽度和间距值的计算效率和精度。并据此分析沙示踪低

8、速条带结构的分布特征及与水流条件之间的关系，为相关研究提供依据和参考。1明渠紊流试验1.1试验水槽试验采用高分辨率CCD相机，对高精度明渠循环玻璃水槽沙示踪条带结构进行测量。水槽长11m，宽0.25m，高0.4m，变坡范围0～1%，边侧壁和底板均采用超白玻璃铺设。循环水由进口水箱以溢流形式进入水槽，入口设4层孔径渐变的蜂窝状整流器，起整流和消除大尺度涡结构的作用，出口设活页尾门控制水深以保证恒定均匀流。流量用变频器调节水泵转速来控制，通过电磁流量计测量，