一项基于粒子图像测速PIV系统的泥石流模拟冲击实验

全国进入“七下八上”防汛关键期，泥石流作为山区常见地质灾害，突发性强，破坏力大，对人民群众生命财产安全造成威胁。传统观测手段难以实现对碎石运动轨迹与水流场耦合效应的精细观测，而粒子图像测速PIV技术可通过非接触测量提供高时空分辨率数据，为泥石流冲击模型构建提供数据支撑。

模拟泥石流冲击试验，构建圆柱管道实验模型，开展碎石冲击水流场的定量研究，捕获碎石颗粒在水流中的运动轨迹、速度变化以及对水流场的影响。

实验设计一直径20cm的圆柱形透明管道，管道内充满流速1.5m/s水流，选用两种粒径碎石D-3mm,D-10mm，下落高度H=3m，不同粒径碎石颗粒从相同高度下落至圆柱形水流管道，采用千眼狼Revealer 2D2C PIV系统，以2560×1920@2000fps核心参数，采集碎石颗粒运动图像及水流场图像。利用Revealer RFlow流场测量软件进行流场计算，得到碎石颗粒和水流的速度矢量场。

1）搭建各实验装置，使用2D2C尺度标定方法，多次采集标定点坐标，建立像素-物理坐标映射，并通过多项式拟合降低误差。

2）将两种粒径D-3mm，D-10mm的模拟碎石颗粒从3m高处下落至水流管道，使用千眼狼Revealer高速摄像机以2560×1920分辨率和2000fps帧率进行采集，在532nm片光源照射下，捕捉碎石颗粒和水流场的图像。

3）开启RFlow流场测速软件自适应对比度增强与强度封顶功能，抑制图像高光区域，同时应用CLAHE直方图均衡化，提升粒子识别度。

4）选择RFlow流场测速软件经典PIV计算模式，采用多通道迭代选择，对预处理后的图像进行流场计算，初始窗口128×128像素，终止窗口32×32像素，窗口重叠率50%。

5）对计算得到的流场数据进行局部中值滤波处理，剔除异常矢量，可视化呈现流速。

1）捕获碎石颗粒运动特征，测量碎石冲击后的速度衰减。D-10mm碎石呈近似直线轨迹，受水流横向剪切力影响发生小幅偏转；D-3mm碎石呈螺旋沉降轨迹，在涡旋裹挟下偏转更大，同时，因D-3mm碎石颗粒比表面积更大，受水流粘滞阻力更为显著，速度衰减率较D-10mm提高约10个百分点。

2）分析PIV水流场扰动，碎石颗粒的加入对水流场产生了显著的扰动。碎石颗粒周围冲击诱发多尺度涡旋产生，涡核中心，水流速度明显降低，速度降低约30%，涡旋边缘，速度衰减约15%，最大涡量位于D-10mm碎石尾流区。

基于粒子图像测速PIV系统的泥石流碎石模拟冲击实验，以2000fps高速采集帧率与经典多通道PIV计算窗口解析了具有高时空分辨率的颗粒速度场与水流场数据，揭示了碎石运动与水流结构的互作机制，量化了泥石流冲击能量传递规律，为泥石流冲击模型的建立提供实验数据支撑。