1實驗背景

全國進入“七下八上”防汛關鍵期，泥石流作為山區常見地質災害，突發性強，破壞力大，對人民群眾生命財產安全造成威脅，傳統觀測手段難以實現對碎石運動軌跡與水流場耦合效應的精細觀測。而粒子圖像測速PIV技術可通過非接觸測量提供高時空分辨率數據，為泥石流沖擊模型構建提供數據支撐。

2實驗目的

模擬泥石流沖擊試驗，構建圓柱管道實驗模型，開展碎石沖擊水流場的定量研究，捕獲碎石顆粒在水流中的運動軌跡、速度變化以及對水流場的影響。

3實驗設計

實驗設計一直徑20cm的圓柱形透明管道，管道內充滿流速1.5m/s水流，選用兩種粒徑碎石D-3mm,D-10mm，下落高度H=3m，不同粒徑碎石顆粒從相同高度下落至圓柱形水流管道，采用千眼狼Revealer 2D2C PIV系統，以2560×1920@2000fps核心參數，采集碎石顆粒運動圖像及水流場圖像。利用Revealer RFlow流場測量軟件進行流場計算，得到碎石顆粒和水流的速度矢量場。

4實驗步驟

1）搭建各實驗裝置，使用2D2C尺度標定方法，多次采集標定點坐標，建立像素-物理坐標映射，并通過多項式擬合降低誤差。

2）將兩種粒徑D-3mm，D-10mm的模擬碎石顆粒從3m高處下落至水流管道，使用千眼狼Revealer高速攝像機以2560×1920分辨率和2000fps幀率進行采集，在532nm片光源照射下，捕捉碎石顆粒和水流場的圖像。

3）開啟RFlow流場測速軟件自適應對比度增強與強度封頂功能，抑制圖像高光區域，同時應用CLAHE直方圖均衡化，提升粒子識別度。

4）選擇RFlow流場測速軟件經典PIV計算模式，采用多通道迭代選擇，對預處理后的圖像進行流場計算，初始窗口128×128像素，終止窗口32×32像素，窗口重疊率50%。

5）對計算得到的流場數據進行局部中值濾波處理，剔除異常矢量，可視化呈現流速。

5實驗數據與結論

1）捕獲碎石顆粒運動特征，測量碎石沖擊后的速度衰減。D-10mm碎石呈近似直線軌跡，受水流橫向剪切力影響發生小幅偏轉；D-3mm碎石呈螺旋沉降軌跡，在渦旋裹挾下偏轉更大，同時，因D-3mm碎石顆粒比表面積更大，受水流粘滯阻力更為顯著，速度衰減率較D-10mm提高約10個百分點。

2）分析PIV水流場擾動，碎石顆粒的加入對水流場產生了顯著的擾動。碎石顆粒周圍沖擊誘發多尺度渦旋產生，渦核中心，水流速度明顯降低，速度降低約30%，渦旋邊緣，速度衰減約15%，最大渦量位于D-10mm碎石尾流區。

基于粒子圖像測速PIV系統的泥石流碎石模擬沖擊實驗，以2000fps高速采集幀率與經典多通道PIV計算窗口解析了具有高時空分辨率的顆粒速度場與水流場數據，揭示了碎石運動與水流結構的互作機制，量化了泥石流沖擊能量傳遞規律，為泥石流沖擊模型的建立提供實驗數據支撐。