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基于图像处理技术的推移质平衡输沙试验研究

清华大学优秀博士学位论文之一。

作者:苗蔚
定价:89
印次:1-1
ISBN:9787302617914
出版日期:2022.12.01
印刷日期:2022.12.15

推移质运动规律是河流动力学研究的核心问题之一,也是解决诸多水利工程实际问题的关键。经典的推移质运动理论建立了时均意义上的输沙率与水流强度之间的关系,而在颗粒尺度上深入揭示水沙耦合运动的特性,则是目前泥沙运动力学中推移质研究的前沿和重点。《基于图像处理技术的推移质平衡输沙试验研究》基于图像处理技术的自主研发,建立了可以实现水沙同步测量的平台;进行多组次的水槽试验,获取了高时空分辨率下的推移质运动图像;通过图像处理和统计分析,深入研究了颗粒尺度下推移质运动的特征,初步揭示了瞬时的水流-泥沙运动之间的相关关系。

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导师序言 推移质运动是泥沙输移的主要形式之一,其直接影响河流的冲淤演变过程。研究推移质的运动规律,具有重要的理论意义和工程价值。 推移质的运动规律非常复杂,具有显著的随机特征。早期的研究无论是在理论上还是在方法上都不考虑随机特征,所提出的推移质输沙公式仅在时空平均的意义上才成立。以汉斯·爱因斯坦(H.A.Einstein)为代表的泥沙学者率先提出了概率论与力学相结合的方法,推导出推移质运动强度和水流参数之间的数学表达式,将推移质理论与悬移质扩散理论联系起来。这些理论工作对泥沙研究的进程产生了深远的影响。 从试验研究的角度来看,深刻认识推移质运动的特性,需要不断提升观测的时空分辨率。近些年来,图像处理技术的快速发展为在颗粒尺度下研究推移质的运动特征提供了可行的技术手段。捕捉推移质的每一次运动过程并进行完整的解析,对技术的要求是相当高的。第一,图像采集的采样频率和采样历时要满足要求,明确各影响因素引起的误差; 第二,在复杂背景下,算法要准确高效地追踪颗粒; 第三,在动床条件下,同步测量水流和推移质的运动,支撑两相运动的耦合分析。 本书构建了水沙耦合测量系统,实现了在复杂背景下推移质颗粒的多目标追踪和相关区域的水流同步测量,根据实测数据分析了推移质的随机运动特征和床面泥沙水流的耦合关系,取得了如下创新成果。 (1) 提出了基于卡尔曼滤波的推移质运动颗粒追踪新算法,量化了采样时间间隔对测量推移质运动参数的影响,构建了基于图像处理的水沙同步耦合测量系统。 (2) 通过多组次的推移质输沙试验,得到了推移质的运动参数随水流与粒径的变化规律,澄清了起动概率与运动概率的异同,验证了运动步长/时长的概率密度符合长尾型分布的假设。 (3) 采用双相机进行同步拍摄,记录二维水流与泥沙运动的信息,根据对两相时间序列的相关分析,发现对瞬时泥沙运动产生影响的水流相为沿流向的脉动流速与Q4Q2事件。 本书提出的试验方法具有一定的参考意义,且取得的创新成果也有助于深入理解颗粒尺度下推移质运动的随机特征。 李丹勋 2018年7月于清华大学

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  • 苗蔚,毕业于清华大学水利水电工程系,水力学及河流动力学方向,博士,从事水沙耦合运动机理以及图像识别算法的研究。
  • 推移质运动规律是河流动力学研究的核心问题之一,也是解决诸多水利工程实际问题的关键。经典的推移质运动理论建立了时均意义上的输沙率与水流强度之间的关系,而在颗粒尺度上深入揭示水沙耦合运动的特性,则是目前泥沙运动力学中推移质研究的前沿和重点。《基于图像处理技术的推移质平衡输沙试验研究》基于图像处理技术的自主研发,建立了可以实现水沙同步测量的平台;进行多组次的水槽试验,获取了高时空分辨率下的推移质运动图像;通过图像处理和统计分析,深入研究了颗粒尺度下推移质运动的特征,初步揭示了瞬时的水流-泥沙运动之间的相关关系。
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  • 目录

    第1章引言

    1.1研究的背景和意义

    1.2推移质输沙研究现状综述

    1.2.1推移质输沙测量方法研究综述

    1.2.2推移质运动特征研究综述

    1.2.3水沙耦合运动机理研究综述

    1.3研究内容

    第2章试验平台与过程

    2.1试验平台

    2.1.1水槽

    2.1.2输沙量测量系统

    2.1.3床面地形测量系统

    2.1.4水沙同步测量系统

    2.2试验过程与组次

    2.2.1试验过程

    2.2.2试验组次

    2.2.3推移质运动统计参数

    2.3本章小结

    第3章推移质运动图像测量方法

    3.1传统颗粒追踪方法的适用性

    3.2新颗粒追踪方法

    3.2.1图像预处理与相减

    3.2.2颗粒追踪

    3.2.3全局关联

    3.3新方法有效性检验

    3.3.1仿真图像检验

    3.3.2真实图像检验

    3.4本章小结

    第4章图像测量参数对推移质运动参数的影响

    4.1采样间隔的影响

    4.1.1定性分析

    4.1.2跳停模型

    4.1.3试验验证

    4.2图像测量参数的选取范围

    4.2.1采样间隔

    4.2.2样本容量和采样历时

    4.2.3采样面积

    4.3推移质运动参数的确定

    4.4本章小结

    第5章均匀沙运动特征

    5.1运动颗粒数量

    5.1.1运动颗粒数量的时均特征

    5.1.2运动颗粒数量的概率密度 

    5.1.3起动概率与运动概率

    5.2运动颗粒速...

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