基于图像的推移质实验中拉格朗日粒子追踪

本实验的总体目标是通过在大范围观测区域内测量水流中以推移质形式运动的单个颗粒的运动轨迹，避免因可测轨迹的最大长度限制而产生的实验偏差。该方法有助于回答推移质输运力学中的关键问题，因为它提供了关于颗粒运动和静止事件的详细信息。该技术的主要优势在于能够对输运颗粒进行长距离追踪，从而实现对长时间过程的观测。

我们在分析先前实验的数据时首次产生了这种方法的想法，当时我们意识到颗粒物相对于观察窗口可以被输运到更远的距离。首先，准备一组覆盖有所需沉积物颗粒层的钢板。用防水黑色油漆涂覆沉积物表面。

接下来，将PVC支撑物放置在水槽底部，并将平板置于支撑物上。根据需要调整平板的位置，以确保沉积物床连续完整。然后用透明亚克力盖板覆盖水道。

将水槽调节至所需坡度。然后启动水槽泵，向水槽内注水。通过调节阀设定流速。

使用尾水调节器将压力水头的水位调节至略高于渠道盖板的位置。确保水流被完全覆盖，同时不会对盖板施加显著作用力。每15分钟检查一次流量和压力水头的水位，直至连续测量之间的变化很小，表明水流已达到稳定状态。

然后，将超声波流速剖面仪安装在具有预定倾角的支架上。在探头尖端涂抹超声耦合凝胶。将探头置于水槽盖上方，探头尾部朝向渠道入口。

正确放置探测凝胶对于获得良好的速度分布、表征背景流体动力学条件至关重要。将探头连接至采集模块，并设置仪器以获取瞬时速度分布。采集所需数量的速度分布数据。

然后，调换探头的位置，再获取另一组速度分布。以这种方式对水槽上每个测量位置获取速度分布。接着，计算每个位置的平均速度值，并确定流向和垂直方向的速度分量。

根据声束穿过的介质相应调整数值。确定在半对数图中流向速度分量廓线呈线性趋势的一定高度范围。将曲线拟合至对数方程，并估算剪切速度。

开始实验时，将两台运动相机的帧率和分辨率设置为所需的参数。将相机安装在盖子的侧壁上，使其面向水槽底部，并确保两台相机安装位置足够接近，从而使它们的拍摄区域焦点重叠。确保水槽上标有已知距离的视觉参考点。

使用每台相机录制一段短视频。根据录制结果调整相机的位置和方向，确保微流控通道位于画面范围内，且各相机的聚焦区域相互重叠。确认通道内的流动保持稳定。

然后，以每两到三秒一粒的速率，手动将目标颗粒缓慢送入水槽入口。我们仅喂入少量沉积物，因为视场中颗粒较少有利于简单直接的沉积物追踪。然而，在较小流量下，部分颗粒可能会卡在焦点区域。

启动两台摄像机开始录制。关闭室内灯光，以创建用于后续摄像机同步的标记。在整个实验过程中保持恒定的光照强度。

根据实验所需时长持续向水槽中投放颗粒。随后停止摄像，并从沉积层中取出捕获的颗粒。根据需要，在其他水动力条件下重复该实验。

开始处理从视频中提取的图像时，首先对像素坐标应用径向变换，使水槽两侧呈现为直线。根据床面高程和已知距离的参考标记，确定像素到距离的转换系数。然后，在流体流动图像分析软件中创建一个新的图像序列。

填写图像序列中帧之间的时间间隔以及像素到距离的转换系数。选择感兴趣的文件并运行处理程序。从序列中随机选取粒子图像生成强度图。

确定目标颗粒强度的合适阈值。然后，为该序列创建一个滤波流程。将滤波器设置为背景去除。

使用单一阈值创建新的颗粒识别算法。填写颗粒强度和直径的阈值。将颗粒识别步骤添加到滤波流程中，然后执行这些步骤。

过滤完成后，打开新创建的粒子记录的图像视图。滚动浏览各帧，并记录图像间粒子的位移情况。然后，创建一个新的PTV分析流程。

创建一个新的分析，在成本选项卡中选择距离。填写搜索窗口的位置和尺寸。将新流程添加到管道中并执行该流程。

使用轨迹重连来修复单个粒子记录中的任何中断。对第二个相机的录像重复此过程。然后，在专用的图像处理模块中，选择两个相机的轨迹文件，并点击查找轨迹属性。

比较上游和下游相机的图像，以确定相机之间的坐标偏移。填写下游相机的坐标偏移值，然后点击“统一参考系”。填写图像重叠区域的边界范围。

删除所有长度小于重叠区域的轨迹。合并粒子轨迹数据库并填补重叠容差。然后，连接轨迹。

当过程完成后，保存结果，然后分析轨迹数据以研究推移质颗粒的运动学特性。所测得的流速剖面呈不对称分布，这是由于沉积物床面与水槽顶盖之间的粗糙度差异所致。上游和下游相机在100秒内分别记录到37条和34条轨迹。

在合并两台相机的数据后，共识别出59条轨迹。最长的轨迹贯穿了整个观测时间窗口，总长度约为1.6米。对这些轨迹进行分析，以确定颗粒在沉积物床面上运动或静止的时间。

大范围的观测使得能够识别出较长的跃移距离，在这些水动力条件下观测到的最大跃移距离可达600毫米。较短且速度更快的跃移出现频率最高。观看本视频后，您应能够充分掌握如何开展大范围颗粒示踪的泥沙输移实验。

在进行该实验操作时，请务必确保实验光照条件良好，即使图像可以通过多种方式采集，但获取高质量图像能极大简化后续的诸多工作。该技术发展后，为沉积物输运领域的研究人员探索多种过程解释与建模指标开辟了道路。