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    重庆时时彩任选二组选: 一种泥石流流速测量方法及其实现系统.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN200910216195.2

    申请日:

    2009.11.11

    公开号:

    CN101718798A

    公开日:

    2010.06.02

    当前法律状态:

    终止

    有效性:

    无权

    法律详情: 未缴年费专利权终止IPC(主分类):G01P 5/02申请日:20091111授权公告日:20110629终止日期:20151111|||授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01P 5/02申请日:20091111|||公开
    IPC分类号: G01P5/02; G01P5/18; G01P5/22 主分类号: G01P5/02
    申请人: 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所
    发明人: 韦方强; 胡凯衡; 杨红娟; 洪勇; 黎晓宇; 江玉红
    地址: 610041 四川省成都市人民南路四段9号
    优先权:
    专利代理机构: 成都赛恩斯知识产权代理事务所(普通合伙) 51212 代理人: 肖国华
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN200910216195.2

    授权公告号:

    |||101718798B||||||

    法律状态公告日:

    2017.01.04|||2011.06.29|||2010.07.21|||2010.06.02

    法律状态类型:

    专利权的终止|||授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种泥石流流速测量方法及其实现系统。针对现有技术中缺乏测量泥石流内部流速的方法与设备的不足,本发明提供一种泥石流流速测量方法,该方法是沿泥石流运动方向设置两个测量横断面,测量获取两个断面上相对应位置处泥石流剪切力变化数据,再根据两个断面上相对应位置处的剪切力波形比较结果,计算得到相应的泥石流内部流速。本发明还提供为实现该方法的测量系统以及实验测量系统。与现有技术相比,本发明解决了现有技术一直未能解决的测量泥石流体内部流速的技术难题,也解决了常规测量仪器无法工作于运动泥石流体中的技术难道。本发明的测量方法原理可靠、易于操作、测量结果准确性高,测量系统结构简单、造价节约、能够重复使用。

    权利要求书

    1: 一种泥石流流速测量方法,基于测量两个断面上相对应位置处泥石流剪切力实现,其特征在于采用如下步骤进行: S1、在泥石流流动均匀的地方沿泥石流流向布置两个与流向垂直的测量断面A和A′,两断面间的距离ΔL为0.05~0.3m; S2、在测量断面A上设定一个测量位置a,在测量断面A′上设定一个与断面A上位置a相对应的测量位置a′;在泥石流流动时分别采集位置a和a′处的剪切力变化过程数据,并绘制位置a和a′处的剪切力波形图; S3、根据比较测量位置a和a′处的剪切力波形图确定剪切力波从位置a处传播到位置a′处的时间长度Δt; S4、根据公式1计算泥石流体从a处到a′处的流速u, u=ΔL/Δt????????????????????????????????公式1 式中:u-泥石流体流速(m/s); ΔL-两测量断面间的距离(m),由S1确定; Δt-剪切力波在两测量位置间的传播时间(s),由S3确定。
    2: 根据权利要求1所述的测量方法,其特征在于:所述S3采用如下步骤进行:在测量位置a和a′处的剪切力波形图上找到一个特征点,即波峰点或波谷点,根据比较两剪切力波形图上特征点的位点确定剪切力波在位置a和a′间的传播时间。
    3: 根据权利要求1所述的测量方法,其特征在于:所述S3采用如下步骤进行:设定不同的时间间隔,计算测量位置a和a′处剪切力波之间的相关系数,相关系数最大时的时间间隔即为剪切力波在两测量位置间的传播时间。
    4: 一种泥石流流速测量系统,包括数据采集装置(2)和连接在数据采集装置(2)后面的数据处理装置(3),其特征在于: 在数据采集装置(2)前方连接剪切力测量装置(1),所述剪切力测量装置(1)由剪切力传感器(11)和必要的固定支架构成; 所述剪切力传感器(11)沿泥石流流向成对安装在两个与泥石流流向垂直的测量断面上,且具体安装在两测量断面上相对应的测量位置处;两断面间距离ΔL为0.05~0.3m;不同断面上位于相对应的测量位置的剪切力传感器(11)构成一个传感器组,剪切力测量装置(1)包括至少一个传感器组; 所述数据采集装置(2)用于采集剪切力传感器(11)感应到的剪切力数据;所述数据处理装置(3)用于接收采集到的数据并进行加工与计算。
    5: 一种泥石流流速实验测量系统,包括泥石流实验槽(4)和剪切力测量装置(1),以及与剪切力测量装置(1)依次连接的数据采集装置(2)和数据处理装置(3),其特征在于:所述泥石流实验槽(4)内布置有两个垂直于泥石流实验槽(4)底板和泥石流流向的测量断面,两断面间距离ΔL为0.05~0.3m;在两断面上与实验槽(41)底板垂直距离相等的相对应的测量位置分别安装有剪切力传感器(11);分别位于两断面上相对应测量位置的剪切力传感器(11)构成一个传感器组,剪切力测量装置(1)包括至少一个传感器组。
    6: 根据权利要求1或2或3或4或5所述的测量方法或测量系统,其特征在于,所述ΔL为0.1~0.2m。
    7: 根据权利要求5所述的实验测量装置,其特征在于:所述泥石流实验槽(4)长5.5~ 6.5m、宽20~40cm,底板为钢板,侧壁为玻璃;在一边侧壁上距离实验槽(4)尾部1.5m和1.7m处分别固定有一根矩形传感器支架(41),传感器支架长边与实验槽(4)底板垂直,传感器支架平面与泥石流流向平行;在每根支架(41)上布置有相对应的测量位置,测量位置上安装有剪切力传感器(11)。
    8: 根据权利要求4或5或7所述的测量系统,其特征在于:所述剪切力传感器(11)是应变式剪切力传感器。

    说明书


    一种泥石流流速测量方法及其实现系统

        【技术领域】

        本发明涉及一种泥石流流速测量方法及其实现系统,特别是涉及一种利用测量两个测量断面上相对应测量位置处的泥石流体剪切力实现的泥石流流速测量方法及相应的测量系统。

        背景技术

        泥石流是中国山区(尤其中国西南山区)常见多发的一种地质灾害,具有发生突然、历时短暂、来势凶猛、大冲大淤、破坏力极强的特点,一旦发生便往往造成严重的区域生态环境破坏和巨大的经济损失与人员伤亡。因此泥石流灾害研究一直是几十年来我国研究者致力研究的重点领域之一。在泥石流的研究中,泥石流流速是泥石流运动力学的核心研究内容之一,是研究泥石流流变性质和运动机理的关键。泥石流流速关系到泥石流流量、冲击力、运动摩擦阻力等重要工程设计参量的计算,一直是该领域研究所希望掌握的重要基础数据。

        泥石流流速分为表面流速和内部流速,在目前研究领域中,泥石流流速测量方法还主要针对表面流速进行,包括雷达测速法、漂浮物+秒表法、图像解析法等。这是由于泥石流作为一种多相流体,内含大量泥沙石块,泥石流流体不透明、不均一,冲击力大、破坏力强对测量方法与仪器要求很高,因此对内部流速的测量一直难以实现,并且能够满足泥石流表面流速测量的方法与系统也并不能完全适用甚至不能适用于对泥石流内部流速的测量。长期以来,泥石流内部流速的测量问题一直未得到解决,现有技术中也未见相关报道。

        【发明内容】

        本发明的目的就是针对现有技术的不足,解决常规光学和无线电波无法穿透泥石流体和常规流速探头在泥石流内部易遭受破坏而无法工作的难题,提供一种泥石流流速测量方法及其实现系统,该方法与系统能够测量泥石流内部流速,并且测量方法运算方便、快捷、准确性高,测量系统结构简单、建设成本低。

        为实现上述目的,本发明的技术方案如下:

        一种泥石流流速测量方法,基于测量两个测量断面上相对应测量位置处泥石流剪切力实现,其特征在于采用如下步骤进行:

        S1、在泥石流流动均匀的地方沿泥石流流向布置两个与流向垂直的测量断面A和A′,两断面间的距离ΔL为0.05~0.3m;

        S2、在测量断面A上设定一个测量位置a,在测量断面A′上设定一个与断面A上位置a相对应的测量位置a′;在泥石流流动时分别采集位置a和a′处的剪切力变化过程数据,并绘制位置a和a′处的剪切力波形图;

        S3、根据比较测量位置a和a′处的剪切力波形图确定剪切力波从位置a处传播到位置a′处的时间长度Δt;

        S4、根据公式1计算泥石流体从a处到a′处的流速u,

        u=ΔL/Δt????公式1

        式中:u-泥石流体流速(m/s);

        ΔL-两测量断面间的距离(m),由S1确定;

        Δt-剪切力波在两测量位置间的传播时间(s),由S3确定。

        本技术方案提供的泥石流流速测量方法的原理在于:一方面,当泥石流流动稳定呈现层流状态时,在泥石流运动方向上经过上断面A上a处的流体也会在下断面A′相对应位置a′处出现。这样就提供了泥石流体流动过程中可以用于比较泥石流流速变化的依据。另一方面,流体由于外因变形时在其内部任一断面内的两方会出现相互作用力,其中相切于断面的分量称为剪切力,该剪切力与内部流速之间存在正相关关系。所以在泥石流运动过程中,可以借助测试得到的泥石流流动方向上不同断面对应位置剪切力变化的时间差表征泥石流体运动的时间差Δt,再结合不同断面间的距离ΔL计算得到泥石流体流速的大小变化。具体而言,当泥石流的泥位和流速都经历先增大后减小的过程时,剪切力也会经历先增大后减小的过程,即在泥石流体运动方向上的断面A和A′的相对应位置a和a′可以分别测得一个剪切力过程,称为剪切力波形图。将位置a和a′处的剪切力波形加以比较可以获得泥石流体运动变化的指标,并间接获得泥石流流速的指标。

        基于上述测量方法的原理,在剪切力波形比较时可以在泥石流体中确定一个观测质点,该质点在测量断面A和A′的剪切力波形图上会具有相同的位置。因此在确定断面A和A′间距离ΔL的基础上,可以根据波形图确定质点从断面A到达断面A′的时间长度Δt,再依据公式u=ΔL/Δt即可得到该质点的流速,也即泥石流内部该质点从断面A运动到断面A′的流速。如果测试获得地断面A向和A′的剪切力波形具有良好的匹配性,则上述比较质点可以直接选用波形图上的特征点,如波峰点或波谷点,用以两波形的比较,以确定波形相位的时间差Δt。如果获得的断面A和A′的剪切力波形匹配不好,则可以通过波形相关系数确定时间差Δt。具体而言,当剪切力波从断面A向断面A′传播时,若波形保持不变,则断面A的波形沿时间轴平移Δt′时段后将与断面A′的波形完全重合,即二者的相关系数为1.0。实际测量中,由于测量误差的存在,二者的相关系数难以达到1.0,但是当断面A的波形沿时间轴平移Δt′时,两断面的波形相关系数会接近1.0。所以在相关系数-时间间隔曲线上,相关系数最接近1.0的点对应的时间间隔即为传播时间Δt。

        上述测量方法在实施时为了保证测量的流速尽可能接近测量位置的瞬时流速,除了需要将测量断面设置在泥石流流动平稳呈现层流状态处以外,所设定的两测量断面A和A′之间还须具有一个较小的距离。所述ΔL以0.05~0.3m为宜,优选条件为0.1~0.2m。当流速较大时ΔL选择较大值,当流速较小时ΔL选择较小值。

        为实现上述测量方法,本发明提供一种泥石流流速测量系统,其技术方案如下:

        一种泥石流流速测量系统,包括数据采集装置和连接在数据采集装置后面的数据处理装置,其特征在于:在数据采集装置前方连接剪切力测量装置,所述剪切力测量装置由剪切力传感器和必要的固定支架构成;所述剪切力传感器沿泥石流流向成对安装在两个与泥石流流向垂直的测量断面上,且具体安装在两测量断面上相对应的测量位置处;两断面间距离ΔL为0.05~0.3m;不同断面上位于相对应的测量位置的剪切力传感器构成一个传感器组,剪切力测量装置包括至少一个传感器组;所述数据采集装置用于采集剪切力传感器感应到的剪切力数据;所述数据处理装置用于接收采集到的数据并进行加工与计算。

        在上述系统基础上,为了能在实验室中完整模拟泥石流发生过程并测试流速,本发明还提供一种适用于实验室的泥石流流速测量系统,其技术方案如下:

        一种泥石流流速实验测量系统,包括泥石流实验槽和剪切力测量装置以及与剪切力测量装置依次连接的数据采集装置和数据处理装置,其特征在于:所述泥石流实验槽内布置有两个垂直于泥石流实验槽底板和泥石流流向的测量断面,两断面间距离ΔL为0.05~0.3m;在两断面上与实验槽底板垂直距离相等的相对应的测量位置分别安装有剪切力传感器;分别位于两断面上相对应测量位置的剪切力传感器构成一个传感器组,剪切力测量装置包括至少一个传感器组。

        上述实验测量系统将剪切力传感器置于泥石流实验槽侧壁,可以直接接触到泥石流体内部获取泥石流流体内部的运动信息,从而获得泥石流内部剪切力变化的数据,以此表征出泥石流内部流速数据。

        与现有技术相比,本发明的有益效果是:利用设在两个测量断面上相对应的测量位置处的剪切力传感器测试泥石流运动过程中的剪切力变化,根据测试到的剪切力变化间的时间差和两个断面的距离计算得到泥石流流速,解决了常规光学和无线电波无法穿透泥石流体和常规流速探头在泥石流内部易于遭受泥石流体冲击而破坏从而无法工作的难题;另一方面本技术方案也解决了现有技术一直未能解决的测量泥石流体内部流速的技术难题。该测量方法及其现实系统设备材料简单,便于安装使用,并且传感器不易被泥石流破坏可以重复使用,经济节约;测量计算过程简便,计算结果可靠。

        【附图说明】

        图1是泥石流流速测量系统装置示意图。

        图2是实验槽及测量断面A和A′布置示意图。

        图3是实验槽侧壁剪切力传感器安装结构示意图。

        图4是实施例一中测量位置a和a′处的剪切力信号图。

        图5是实施例一中测量位置a和a′处降噪后的剪切力波形图。

        图6是实施例二中测量位置a和a′处的剪切力信号图。

        图7是实施例二中测量位置a和a′处降噪后的剪切力波形图。

        图8是实施例二中不同间隔时间对应的波形相关系数图。

        图中标号如下:

        1??剪切力测量装置??????????????3??数据处理装置

        11?剪切力传感器????????????????4??实验槽

        2??数据采集装置????????????????41?传感器支架

        【具体实施方式】

        下面结合附图,对本发明优选实施例作进一步的描述。

        实施例一

        如图1、2、3、4、5所示。2009年8月3日在中国科学院东川泥石流观测研究站试验厅开展泥石流室内实验测量泥石流内部流速。

        (1)实验系统安装

        实验系统包括模拟泥石流沟的实验槽4和相应的测量系统。测量系统包括剪切力测量装置1,以及与剪切力测量装置1依次连接的数据采集器和用于数据处理的计算机。

        实验槽4长6m宽30cm,横断面为矩形;实验槽4底板为钢板,侧壁为玻璃。在实验槽右侧壁距离实验槽尾部1.7m和1.5m处分别安装一根传感器支架41,在每根支架上设置4个相对应的测量位置a和a′,b和b′,c和c′,d和d′,分别在距离实验槽底板1cm、3cm、5cm和7cm处。在每个测量位置上安装1个剪切力传感器11,如图2、3所示。每对相对应位置处的两个剪切力传感器11构成一个传感器组。

        传感器与数据采集器相连接,每一个传感器连接数据采集器的一个端口,采集器同时采集各传感器感应的剪切力信号,并实时传输到计算机进行存储和加工处理。

        实验选用传感器类型为应变式剪切力传感器,由绵阳市奇石缘科技有限公司生产。数据采集器由成都中科动态仪器有限公司生产。

        实验所用泥石流体的最大粒径为2cm,密度为2.0t/m3。

        (2)泥石流内部流速测量

        本实施例中以测量位置a和a′处(距离实验槽底板1cm)的传感器的实验为例说明泥石流内部流速的测量过程。泥石流内部流速测量按照如下步骤进行:

        S1、布置测量断面A和A′与测量位置a和a′

        前期预备实验证明,实验槽4长6m宽30cm,实验槽4中的两测量断面布置在距离实验槽尾部1.7m和1.5m处,泥石流流经断面A和A′处时流动平稳。此时有,两断面间距离ΔL=0.2m??舳厦鍭和A′上测量位置a和a′处的剪切力传感器及相应设备至工作状态。

        S2、采集测量位置a和a′处剪切力数据,并加工处理

        S21、采集测量位置a和a′处的剪切力变化过程数据。

        泥石流流动时,数据采集器分别采集位置a和a′处的传感器感应的剪切力变化过程数据,结果如图4所示。

        S22、将S21采集的数据信号做降噪处理,并绘制位置a和a′处的剪切力波形图,如图5所示。

        S3、确定波形特征点对应的时刻

        降噪后经比较发现两测量位置的剪切力波形匹配良好,因此直接选取波峰点为波形比较的特征点。位置a处的波峰对应时刻为3.3565s,位置a′的波峰对应时刻为3.8915s。

        S4、确定Δt

        传播时间Δt为位置a和a′处剪切力波形特征点对应时刻之差,即Δt=3.8915s-3.3565s=0.535s。

        S5、确定内部流速u

        根据公式1计算实验槽右侧距实验槽底板1cm高度的泥石流体在断面A和A′段的流速u=0.374m/s。

        实施例二

        如图6、7、8所示。2009年8月3日在中国科学院东川泥石流观测研究站试验厅开展泥石流室内实验测量泥石流内部流速。其(1)、(2)部分中与实施例一中相同之处不再重复,其不同之处具体为:

        (2)泥石流内部流速测量

        泥石流内部流速测量按照如下步骤进行:

        S1、布置测量断面A和A′与测量位置a和a′

        同实施例一中S1操作。

        S2、采集测量位置a和a′处的剪切力数据,并加工处理

        S21、采集测量位置a和a′处的剪切力变化过程数据。

        泥石流流动时,数据采集器分别采集位置a和a′处的传感器获取的剪切力变化过程数据,结果如图6所示。

        S22、将S21采集的数据信号做降噪处理,并绘制位置a和a′处剪切力波形图,如图7所示。

        S3、计算不同间隔时间两测量位置波形的相关系数

        位置a的剪切力波形中有两个波峰,位置a′的波形中只有一个波峰,波形匹配较差,故利用相关系数确定剪切力波在位置a和a′之间的传播时间。

        将位置a的剪切力波形沿时间轴向右平移,每隔一段时间(本实验中剪切力在两横断面之间的传播时间较短,故所取间隔时间较短,为0.0005s)计算一次位置a平移后的波形与位置a′的波形的相关系数。由此得到不同间隔时间Δt下的相关系数曲线,如图8所示。

        S4、确定Δt

        根据S3得到相关系数最大(0.982)时对应的时间间隔1.2635s,该值即剪切力波在两测量位置之间的传播时间Δt。

        S5、确定内部流速u

        根据公式1计算实验槽右侧距实验槽底板1cm高度处的泥石流体在断面A和A′段的流速u=0.158m/s。

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    一种 泥石流 流速 测量方法 及其 实现 系统
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