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大尺度表面流场测量技术可实现二维和三维流场的测量,其研发与应用在科学研究和工程实践上有着重要意义,既有助于解析河流水面大尺度相干结构,定量研究薄壁堰流和溃坝水流等复杂流态的水流特性,也可为工程规划、灾害评估和应急决策等提供有效的数据支撑。大尺度表面流场测量技术是目前水利量测领域的前沿研究。本文从二维和三维流场测量层面共研发了四种大尺度表面流场测量技术,并应用于室内模型试验与野外河流观测。具体研发与应用成果如下:1、针对二维流场计算效率,提出了基于图像特征点匹配的测速算法(FMV)。定量评估了输入图像和参数设置对FMV算法的影响并给出了参数设置建议;相比PIV/PTV,FMV的时均流场误差小于±2%,瞬时流场误差小于±10%,计算效率提升约一倍。FMV算法应用于堰坝水闸模型试验和泄洪洞射流模型试验,快速输出时均流场,流场结果可反映出水体表面流动特征。2、针对野外大范围二维流场测量,研发了无人机图像测速系统(AIV)。无人机巡航测速模式下,改进Sf M-PIV方法,并应用于野外河流和城市河流长河段流场观测,得到了高覆盖度的时均流场,误差小于±10%;无人机悬停测速模式下,提出基于特征点匹配的快速测流方法,并应用于城市河流局部河段流场测量,计算效率大幅提升,计算结果可定性描述水面紊动特性和大尺度相干结构。3、针对室内恒定流态三维表面流场测量,提出了基于二维流场和三维水面形态的三维流场间接重构方法。该方法采用双相机共面设置重构水面形态和单相机计算二维流场,基于空间转换关系实现了对三维流场的间接重构;其应用于薄壁堰流试验,获得了堰流表面形态及流场数据。4、针对室内非恒定流态三维表面流场测量,研发了双相机配置下的大尺度三维表面粒子跟踪测速系统(3DSPTV)。其应用于薄壁堰流模型试验的结果表明:各工况下的堰流水舌具有统一的形态特征,其垂向流速大致满足自由落体运动规律,纵向流速先沿程快速增加然后缓慢减小。其应用于土坝开槽漫顶溃决试验,有效重构了坝体溃决全程的三维水面形态及流场,揭示了坝体溃决的四个典型阶段。