【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水环境与水生态领域，具体设计一种不规则形状颗粒沉降拖曳力系数计算模型构造方法、系统及介质。
技术介绍
1、自然界中几乎所有颗粒都是不规则的，不规则颗粒的沉降工程在地质学、环境科学、生态学及工程科学中均具有重要的意义。在地质学和环境科学中，了解不规则颗粒的沉降速度有助于理解沉积物在液体中的运动和沉积过程。这对于分析河流、湖泊和海洋中的底泥沉积、河口和海岸地貌的形成以及沉积物对水体质量的影响至关重要。在生物学领域，颗粒沉降速度对于理解植物种子的水传播过程、海洋生物的沉降、浮游生物的运动以及微生物的沉积和传播等都是至关重要的。这些过程影响着生物的分布、种群动态和生态系统的功能。对于资源开发和环境监测来说，了解颗粒沉降速度有助于评估和管理自然资源的利用，监测水体和大气中的污染物传播，以及预测自然灾害风险，如河流和海岸的泥沙淤积、滑坡等。在工程学中，对颗粒沉降速度的认识有助于设计和优化一系列工程过程，如废水处理、污泥沉淀、颗粒过滤、管道输送等。准确预测颗粒沉降速度可以帮助确保系统的有效运行和性能。
2、沉降速度是不规则颗粒在不同液体介质中沉降过程的最主要动力学参数，拖曳力系数是决定沉降特性与沉降速度的关键无量纲系数，可以量化液体介质对不规则颗粒所产生的阻力，与颗粒物理属性与形状系数密切相关。区别于规则形状颗粒，不规则形状颗粒的形状与形态复杂，难以通过简单的测量和单一参数表征。不规则形状颗粒的沉降速度受形状、形态和密度差等因素的影响，难以准确地预测，目前大多采用实验测量或经验公式进行估算。大多数情况下，不可能对所有
3、目前，不规则颗粒沉降拖曳力系数计算公式的推求尚未有统一模式，现有的计算公式多采用个体模式进行推求，精度、普适性均有待提升。有的基于标准球体沉降拖曳力系数公式进行改良，构建的计算公式仅适用于近似球体，且普适性较差。有的仅采用一维形状系数进行概化，但各公式采用的形状系数差别很大、形式较为简单，但是精度较差，难以准确适用于不同尺度、形态颗粒。因此，构造一种精度较高、普适性强的沉降拖曳力系数计算公式推导方法，使之适用于不规则形状颗粒，对于理解颗粒状、棒状、碟状、带有附体等颗粒在液体中的运动和沉积过程具有重要意义。
技术实现思路
1、本申请实施例的目的在于提供一种不规则形状颗粒沉降拖曳力系数计算模型构造方法、系统及介质，不需要复杂的三维测量，操作简便、普适性强，可以较为精确地适用于粒状、棒状、碟状、带有附体等高度不规则颗粒在液体中的沉降拖曳力系数计算。
2、为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
3、第一方面，本申请实施例提供一种不规则形状颗粒沉降拖曳力系数计算模型的构造方法，包括以下步骤：
4、步骤1)获取不规则颗粒和液体介质的基本物理参数；
5、步骤2)测量并计算不规则颗粒形状系数，并进行形状分类；
6、步骤3)实验测量不规则颗粒样本的沉降速度与拖曳力系数；
7、步骤4)构造不规则颗粒拖曳力系数计算型式；
8、步骤5)率定关键参数，提出拖曳力系数和沉降速度计算模型。
9、所述步骤1)中，获取的基本物理参数包括不规则颗粒的体积vp和密度ρp，液体介质的密度ρf和运动粘度μ。
10、所述步骤2)中，通过高清相机拍摄与图像处理法进行分析，首先利用高清相机对不规则颗粒的最大面积与最小面积截面进行拍摄，然后利用阈值分割与边缘检测方法提取颗粒的边缘线，获取最长轴dl、中长轴di、最短轴ds、迎流面面积ap基础参数，
11、计算的形状参数包括伸长度elo、扁平度fla、球度vsf系数、esf系数、csf系数、相对密度差δρ，
12、
13、
14、
15、
16、
17、
18、式中aeq为与颗粒等体积球体的表面积，as为颗粒实际表面积，da为与颗粒椭圆面积相等的圆直径，
19、根据伸长度与扁平度对不规则颗粒进行分类，
20、
21、所述步骤3)中，采用沉降桶和高分相机拍摄的方法开展沉降实验，沉降桶为直径30～50cm、高150～300cm的圆柱形桶，设置纯色背景布，高分相机为工业相机或者单反相机，帧率在30hz以上，且具备实时操控功能，每次投放一枚不规则颗粒，投放前完成步骤1)和步骤2)，对下沉垂直距离80cm后的轨迹进行拍摄，保证沉降轨迹处于稳定状态，排除与沉降桶边壁发生碰撞的轨迹数据，利用背景差法与光流法对沉降轨迹进行提取，采用matlab视频处理代码或image pro plus软件进行处理，采用中心差分方法对沉降速度ws进行计算，利用下式对沉降拖曳力系数进行计算，
22、
23、式中de为与颗粒同体积的球体直径。
24、所述步骤4)中，通过对不同类型拖计算公式形式进行对比，采用下式为拖曳力系数的计算形式，
25、
26、式中rep是颗粒雷诺数，βi是待定参数，与各形状系数有关，
27、对于处于分区i的不规则颗粒，拖曳力系数的计算形式为
28、
29、
30、对于处于分区ii的不规则颗粒，拖曳力系数的计算形式为
31、
32、
33、对于处于分区iii的不规则颗粒，拖曳力系数的计算形式为
34、
35、
36、上式中k1i、k2i、k3i、k4i为待定系数，通过实测数据进行率定。
37、所述步骤5)中，三个分区中的拖曳力系数计算公式均有16个待定系数，利用基于广义遗传算法的全局优化方法对拖曳力系数计算公式进行率定，
38、在确定拖曳力系数计算公式后，通过对沉降速度进行计算，或通过求解rep来计算沉降速度，计算公式如下：
39、
40、
41、上述公式为超越方程，m0是反应不规则颗粒及液体介质的基础参数，通过不规则颗粒的密度、等效球径、迎流面积、液体介质的动力粘度和密度进行计算，超越方程的求解可以牛顿迭代法或者割线法进行求解，初始值的选取较为敏感，因此利用等体积直径的标准球体计算公式进行估算，如下式：
42、
43、计算后获取rep-m0关系曲线，联合可以准确求解不规则颗粒的沉降速度。
44、第二方面，本申请实施例提供一种不规则形状颗粒沉降拖曳力系数计算模型的构造系统，包括，
45、物理参数获取模块，用以获取不规则颗粒和液体介质的基本物理参数；
46、形状分类模块，用以测量并计算不规则颗粒形状系数，并进行形状分类；
47、实验测量模块，用以实验测量不规则颗粒样本的沉降速度与拖曳力系数；
48、计算型式构造模块，用以构造不规则颗粒拖曳力系数本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种不规则形状颗粒沉降拖曳力系数计算模型的构造方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种不规则形状颗粒沉降拖曳力系数计算模型的构造方法，其特征在于，所述步骤1)中，获取的基本物理参数包括不规则颗粒的体积Vp和密度ρp，液体介质的密度ρf和运动粘度μ。
3.根据权利要求1所述的一种不规则形状颗粒沉降拖曳力系数计算模型的构造方法，其特征在于，所述步骤2)中，通过高清相机拍摄与图像处理法进行分析，首先利用高清相机对不规则颗粒的最大面积与最小面积截面进行拍摄，然后利用阈值分割与边缘检测方法提取颗粒的边缘线，获取最长轴Dl、中长轴Di、最短轴Ds、迎流面面积Ap基础参数，
4.根据权利要求3所述的一种不规则形状颗粒沉降拖曳力系数计算模型的构造方法，其特征在于，所述步骤3)中，采用沉降桶和高分相机拍摄的方法开展沉降实验，沉降桶为直径30～50cm、高150～300cm的圆柱形桶，设置纯色背景布，高分相机为工业相机或者单反相机，帧率在30Hz以上，且具备实时操控功能，每次投放一枚不规则颗粒，投放前完成步骤1)和步骤2)，对下沉垂直距离
5.根据权利要求4所述的一种不规则形状颗粒沉降拖曳力系数计算模型的构造方法，其特征在于，所述步骤4)中，通过对不同类型拖计算公式形式进行对比，采用下式为拖曳力系数的计算形式，
6.根据权利要求5所述的一种不规则形状颗粒沉降拖曳力系数计算模型的构造方法，其特征在于，所述步骤5)中，三个分区中的拖曳力系数计算公式均有16个待定系数，利用基于广义遗传算法的全局优化方法对拖曳力系数计算公式进行率定，
7.一种不规则形状颗粒沉降拖曳力系数计算模型的构造系统，其特征在于，包括，
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有程序代码，所述程序代码被处理器执行时，实现如权利要求1-6任一所述的不规则形状颗粒沉降拖曳力系数计算模型的构造方法的步骤。
...【技术特征摘要】
1.一种不规则形状颗粒沉降拖曳力系数计算模型的构造方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种不规则形状颗粒沉降拖曳力系数计算模型的构造方法，其特征在于，所述步骤1)中，获取的基本物理参数包括不规则颗粒的体积vp和密度ρp，液体介质的密度ρf和运动粘度μ。
3.根据权利要求1所述的一种不规则形状颗粒沉降拖曳力系数计算模型的构造方法，其特征在于，所述步骤2)中，通过高清相机拍摄与图像处理法进行分析，首先利用高清相机对不规则颗粒的最大面积与最小面积截面进行拍摄，然后利用阈值分割与边缘检测方法提取颗粒的边缘线，获取最长轴dl、中长轴di、最短轴ds、迎流面面积ap基础参数，
4.根据权利要求3所述的一种不规则形状颗粒沉降拖曳力系数计算模型的构造方法，其特征在于，所述步骤3)中，采用沉降桶和高分相机拍摄的方法开展沉降实验，沉降桶为直径30～50cm、高150～300cm的圆柱形桶，设置纯色背景布，高分相机为工业相机或者单反相机，帧率在30hz以上，且具备实时操控功能，每次投放一枚不规则颗粒，投放前完成步骤1)和步骤2)，对下沉垂直...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘小光，王家生，曾玉红，丁兵，代娟，管硕，杨启红，闵凤阳，张琳，曹羿，韩宇，葛李灿，
申请(专利权)人：长江水利委员会长江科学院，
类型：发明
国别省市：
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