全國進(jìn)入“七下八上”防汛關(guān)鍵期，泥石流作為山區(qū)常見地質(zhì)災(zāi)害，突發(fā)性強(qiáng)，破壞力大，對人民群眾生命財產(chǎn)安全造成威脅。傳統(tǒng)觀測手段難以實現(xiàn)對碎石運動軌跡與水流場耦合效應(yīng)的精細(xì)觀測，而粒子圖像測速PIV技術(shù)可通過非接觸測量提供高時空分辨率數(shù)據(jù)，為泥石流沖擊模型構(gòu)建提供數(shù)據(jù)支撐。

模擬泥石流沖擊試驗，構(gòu)建圓柱管道實驗?zāi)Ｐ停_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。

實驗設(shè)計一直徑20cm的圓柱形透明管道，管道內(nèi)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(tǒng)，以2560×1920@2000fps核心參數(shù)，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(jìn)行流場計算，得到碎石顆粒和水流的速度矢量場。

1）搭建各實驗裝置，使用2D2C尺度標(biāo)定方法，多次采集標(biāo)定點坐標(biāo)，建立像素-物理坐標(biāo)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(jī)以2560×1920分辨率和2000fps幀率進(jìn)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(yīng)對比度增強(qiáng)與強(qiáng)度封頂功能，抑制圖像高光區(qū)域，同時應(yīng)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(jīng)典PIV計算模式，采用多通道迭代選擇，對預(yù)處理后的圖像進(jìn)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(shù)據(jù)進(jìn)行局部中值濾波處理，剔除異常矢量，可視化呈現(xiàn)流速。

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(fā)生小幅偏轉(zhuǎn)；D-3mm碎石呈螺旋沉降軌跡，在渦旋裹挾下偏轉(zhuǎn)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(chǎn)生了顯著的擾動。碎石顆粒周圍沖擊誘發(fā)多尺度渦旋產(chǎn)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(qū)。

基于粒子圖像測速PIV系統(tǒng)的泥石流碎石模擬沖擊實驗，以2000fps高速采集幀率與經(jīng)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(shù)據(jù)，揭示了碎石運動與水流結(jié)構(gòu)的互作機(jī)制，量化了泥石流沖擊能量傳遞規(guī)律，為泥石流沖擊模型的建立提供實驗數(shù)據(jù)支撐。