[发明专利]泥石流示踪粒、内部流速实验系统、内部流场测算方法

权利要求书

1.利用泥石流内部流速实验系统实现的泥石流内部流场测算方法，所述泥石流内部流速实验系统包括实验水槽(41)，实验水槽(41)上方是用于投放泥石流示踪粒的示踪粒投放装置(42)，其特征在于：依如下步骤实施：

步骤S1、泥石流运动模拟试验

采用泥石流内部流速实验系统进行泥石流模拟运动过程试验，在试验过程中向泥石流流体中投放泥石流示踪粒，所述示踪粒包括进行密封防水封装为一体的支撑件组(1)、电子组件(2)、配重组件(3)，所述电子组件(2)包括电路板及其上集成的电池、六轴传感器、数据存储通信组件，所述六轴传感器采集泥石流体中的加速度与角速度数据，试验完毕回收泥石流示踪粒；

步骤S2、模拟泥石流内部流场

步骤S21、将泥石流示踪粒与电脑通信连接，将测试数据导出至电脑；

步骤S22、求解地理坐标系内的xyz三轴加速度

利用六轴传感器数据采用四元数法计算得到四元数表示的旋转矩阵采用四元数表示的旋转矩阵将载体坐标系内的xyz三轴加速度转换至地理坐标系；

步骤S23、计算示踪粒在任意时刻t的xyz轴速度

获取示踪粒在地理坐标系内任意时刻t的xyz三轴加速度，建立每一个方向上加速度的积分近似表达式，在时域内进行积分过程近似运算，得到示踪粒每一个方向上任意t时刻的速度；

步骤S24、计算示踪粒在任意时刻t的xyz轴运动位移

建立每一个方向上速度的积分近似表达式，在时域内进行积分过程近似运算，得到示踪粒每一个方向上任意t时刻的运动位移；

步骤S25、建立泥石流内部流场模拟模型

将示踪粒每一个方向上任意时刻t的运动位移叠加示踪粒初始坐标，绘图显示任意时刻t的示踪粒分布，得到泥石流内部流场动态模拟模型。

2.根据权利要求1所述的测算方法，其特征在于：步骤S1中，根据试验设计确定模拟泥石流的颗粒级配曲线、密度、颗粒形状，确定泥石流示踪粒外部尺寸、密度、数量，并将泥石流示踪粒放入示踪粒投放装置(42)，根据试验进程向实验水槽(41)中投放。

3.根据权利要求2所述的测算方法，其特征在于：所述步骤S22中，将旋转矩阵用四元数Q(t)表示，得到式1～式3所示四元数的方程组：

Q＝q₀+q₁i+q₂j+q₃k 式2

ω＝0+ω_xi+ω_yj+ω_zk 式3

式中：Q(t)—任意时刻t的四元数，

ω_x、ω_y、ω_z——x、y、z三方向的角速度，单位rad/s，

i，j，k——四元数三个虚数单位，运算参量，

q₀,q₁,q₂，q₃——四个实数，运算参量，

ω——角速度，单位rad/s，六轴传感器采集；

利用陀螺仪传感器采集的角度数据求解式1～式3得到四元数Q(t)，进一步求解式4表达的旋转矩阵

采用求解的旋转矩阵将载体坐标系内的xyz三轴加速度转换至地理坐标系如式5：

式中，a_xe、a_ye、a_ze——地理坐标系中沿x、y、z三轴的加速度，单位m·s^-2，

a_xb、a_yb、a_zb——载体坐标系中沿x、y、z三轴的加速度，单位m·s^-2。

4.根据权利要求1或2或3所述的测算方法，其特征在于：所述步骤S23中，建立每一个方向上加速度的积分近似表达式，在时域内进行积分过程近似运算；所述步骤S24中，建立每一个方向上速度的积分近似表达式，在时域内进行积分过程近似运算。