[发明专利]风沙蠕移层沙粒运动速度及其质量分布的测量装置以及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可以测量风沙蠕移层沙粒运动速度及其质量分布的装置以及测量方法，该测量装置以及测量方法尤其适用于野外风沙观测或风洞实验。 

背景技术

中国是世界上风沙危害最为严重的国家之一。为了有效防治风沙灾害，首先必须研究清楚风沙运动的基本规律。 

风沙流中沙粒运动包括蠕移、跃移和悬移三种运动形式。其中，蠕移是沙粒在沙床面上滚动或滑动的运动形式，跃移是沙粒从沙床面起跳后，在重力作用下又降落到沙床面的运动形式，悬移是沙粒悬在空中随着空气一起流动的运动形式。这三种运动形式相互关联，它们之间存在着复杂的物质和能量交换，因此在风沙理论研究和风沙工程实践中必须兼顾这三种运动形式。但是风沙运动的复杂性又迫使研究者将这三种运动形式人为地割裂开来进行研究。 

根据运动形式的不同，将风沙流从上至下依次划分为悬移层、跃移层和蠕移层。作为风沙流的一部分，对风沙蠕移层沙粒运动速度的研究是一个重要的课题。Wang et al.（Wang Y.，Wang D W.，Wang L.，Zhang Y.，2009.Measurement of sand creep on a flat sand bed using a high-speed digital camera.Sedimentology，56：1705-1712）和张洋等人（张洋，王元，何文博，2010.沙粒蠕移运动轨迹的光学测量及分析，科学通报，55(33)：3186-3192；张洋，王元，王丽，2011.沙粒蠕移运动 速度测量及其统计分析，实验流体力学，25(2)：96-100）提出了一种利用高速相机以俯视角度拍摄沙床面上的蠕移运动的方法。该方法经过非负图像减法、自动阈值法以及双向DT-PTV的连续运算,建立蠕移颗粒群帧间匹配关系，从连续帧匹配关系中可提取颗粒运动轨迹，进而获得蠕移沙粒运动速度。除此之外，未见到其他风沙蠕移层沙粒运动速度研究的报道。 

但是，Wang et al.（2009）和张洋等（2010,2011）的研究方法存在不足：蠕移层存在一定的厚度，最上层沙粒运动主要是由颗粒碰撞和气流剪切作用产生，下层沙粒运动主要是颗粒间摩擦和气流剪切作用产生，上层沙粒运动速度大于下层沙粒运动速度。而高速相机只能拍摄到最上层的蠕移沙粒，因此，这种研究方法的结果明显夸大了蠕移层沙粒运动速度。此外，即使能够拍摄到合适的蠕移沙粒运动图像，但是后期的处理方法也是影响蠕移沙粒运动速度的关键环节。对于相同的图像，采取不同的提取方法将得到不同的蠕移沙粒运动速度。 

因此，现阶段观测技术难以测定蠕移层沙粒运动参数，准确测定蠕移层沙粒运动就成为风沙学界关注的焦点，但是目前还没有风沙蠕移层沙粒运动速度的专门测量仪器。 

发明内容

发明要解决的问题

为此，本发明的目的是提供一种风沙蠕移层沙粒运动速度及其质量分布的测量装置以及测量方法，该测量装置以及测量方法能够准确地测量风沙蠕移层沙粒运动速度及其质量分布，尤其是低速范围内的速度及其质量分布。 

用于解决问题的方案

本发明所述的测量装置，其用于测量风沙蠕移层沙粒运动 速度及其质量分布，该测量装置包括分离腔，所述分离腔具有：入口，所述入口设置于所述分离腔的顶壁；分离壁，所述分离壁设置于所述顶壁和底壁之间，其中所述底壁与所述顶壁相对，并且在所述分离壁上从上往下依次并列设有多个分离口，所述各分离口与相应的收集部件连接。 

蠕移层中的沙粒从入口进入分离腔，之后沙粒做平抛运动，不同水平初速度的沙粒分别进入不同高度处的分离口再进入收集部件中，小于特定水平初速度的沙粒将落到底壁上。这样，测量不同高度处收集部件收集的沙量和落到底壁上的沙量，通过计算可以得到风沙蠕移层沙粒运动速度及其质量分布。 

所述分离口具有远离所述分离壁和所述分离腔延伸的延伸部，在所述延伸部后端套装所述收集部件。该设置方便了收集部件与分离口之间的连接与拆卸。 

所述延伸部朝向后下方倾斜，所述延伸部与所述分离壁之间的夹角在32°到75°的范围内。该设置保证了进入分离口的沙粒能够顺利地进入收集部件中。 

所述收集部件设有沙窗，所述沙窗允许气流通过并且阻拦沙粒通过。设置沙窗可以防止气流回流将进入分离口的沙粒卷出，从而保证了测量的精度。