基于高速光学测量技术的沙粒蠕移运动实验研究

蠕移是沙粒三种基本运动方式之一。然而人们对沙粒蠕移运动本质的了解与其在风沙动力学中的重要地位极不相称，研究的滞后已经严重制约了学科的发展。本项目针对沙粒蠕移运动研究现状，以风洞实验、理论分析为基本研究手段，以沙粒蠕移的测量方法研究为突破点，对沙粒蠕移运动的规律及影响因素进行全方位研究。利用高速光学测量技术记录沙粒蠕移运动图像，开发图像动态背景去除技术，获取蠕移沙粒数字轨迹，建立有效的沙粒蠕移运动测量方法。捕捉沙粒跃移、蠕移的相互转化过程，确定转化临界条件及过程控制参数。根据蠕移沙粒数字轨迹，求解蠕移沙粒运动参数，得到沙粒蠕移运动的规律，发展蠕移输沙量的测量方法，最终建立适用于沙粒蠕移运动的物理模型。研究成果将有助于大幅推进人们对风沙动力学的认识，不仅能使风沙动力学的研究有所突破，更可为风沙危害防治提供理论指导和技术支撑。

项目围绕大气表面层风洞的升级改造，沙粒蠕移运动的测试方法，蠕移粒子图像处理，沙粒蠕移的粒子追踪测速算法，蠕移运动的统计特征以及沙粒和空气相间耦合作用等几个基本问题展开研究。对大气表面层风洞进行改造，配备相应的动力变频控制系统，使之满足蠕移实验所需的流动条件；采取俯拍方式结合无影体照明光源记录了沙粒的蠕移运动；提出了一种非负相减法可有效地提取单个蠕移沙粒；结合蠕移运动特点，对基于三角铺嵌的粒子追踪测速方法进行改进并应用于蠕移沙粒速度场匹配计算，同时提出一种无关于流体相性质的伪矢量去除方法可有效应用于沙粒速度场的去伪；针对得到的运动和动力参数进行统计分析揭示出蠕移颗粒速度，轨迹以及输沙率的分布特性。此外，结合跃移实验，引入荧光气固两相同测，小波包分析，本征正交分解（POD）等方法对沙粒和流体的相间作用进行了深入细致的研究。以上研究方法和结果为进一步研究风沙流的特点提供了可靠的技术支持和数据储备，对充分认识沙粒蠕移运动的本质有重要的推动作用。