水工模型試驗的流速測量方法與數(shù)據(jù)處理程序.docx

1、2008年12月第12期總第422期水運工程Port&WaterwayEngineeringDec.2008No.12SerialNo.422綜合水工模型試驗的流速測量方法與數(shù)據(jù)處理程序劉國亭(交通部天津水運工程科學研究院工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456)摘要：在水工模型試驗中，基礎數(shù)據(jù)的準確度與精確度直接關系到科研成果的質(zhì)量。流速是模型試驗中觀測的主要數(shù)據(jù)之一。模型流速的測量方法有許多種，如示蹤物法、光電法、聲學多普勒法等。光電法是目前水工模型試驗中應用最多的流速測量方法。文章所述的模型測桿流速處理程序?qū)崿F(xiàn)的功能就是計算流速測桿采集流速的平均值并直觀地以流速過程線圖顯示。

2、通過應用于上海國際航運中心洋山港區(qū)整體物理模型試驗的實踐表明，程序采用微調(diào)方法，解決了判斷漲落潮時存在的問題，提高了水工模型試驗工作的精度和效率，為科學決策提供了依據(jù)。關鍵詞：水工模型試驗；流速測桿；流速時間序列；測量方法中圖分類號：TV131.65文獻標志碼：A文章編號：1002-4972(2008)12-0001-04MeasuringmethodforcurrentvelocityinhydraulicmodeltestanddataprocessingprogramLIUGuo-tingfPianjinResearchInstituteofWaterTransportEngineeri

3、ng,KeyLaboratoryofEngineeringSedimentofMinistryofCommunications,Tianjin300456,China)Abstract：Inhydraulicmodeltest,basicdata'saccuracyandprecisionhaveadirectimpactonthequalityofscientificresearch.Currentvelocityisoneofthemaindatabeingobservedinhydraulicmodeltest.Therearemanymethodsformeasuringthe

4、currentvelocityinhydraulicmodeltest,suchasidentifiermethod,opticalelectronmethod,andacousticDopplermethod,etc.Opticalelectronmethodismostlyusedatpresentforobservingthecurrentvelocityinhydraulicmodeltest.Theprocessingprogram'sfunctionofsurveyingrodforcurrentvelocityinhydraulicmodeltestdemonstrate

5、dinthispaperisforcalculatingtheaveragevalueofcurrentvelocitybeingsampledbysurveyingrodanddisplayingitintheformofflow-velocityprogresscurve.TheprogramhasbeenusedinShanghaiInternationalShippingCenter'sintegralphysicalmodeltest.Theapplicationresultrevealsthatthisprogramhassolvedtheproblemsduringthe

6、judgmentoffloodtideorebbtidebyfineadjustmentofthetimeseries,risentheprecisionandefficiencyofhydraulicmodeltests,andthusprovidedafoundationforscientificdecision-making.Keywords：hydraulicmodeltest;surveyingrodforcurrentvelocity;timeseriesofcurrentvelocity;surveyingmethods在水工模型試驗中，基礎數(shù)據(jù)的獲得是一項非常重要的工作。數(shù)據(jù)的

7、準確度與精確度直接關系到科研成果的質(zhì)量。模型流速測量工作與現(xiàn)場流速測量工作相比較，具有施測時間短、流速變收稿日期：2008-06-06作者簡介：劉國亭(1971),男，副研究員，主要從事海岸河口泥沙研究。收稿日期：2008-06-06作者簡介：劉國亭(1971),男，副研究員，主要從事海岸河口泥沙研究?；?、受邊界影響大等特點，因此模型試驗使用與現(xiàn)場測驗完全不同的測量儀器，同時施測準確性較現(xiàn)場差。如何處理測量數(shù)據(jù)并生成正確的時間序列也是水工模型試驗中關鍵的工作之一。1流速的測量方法1.1不蹤物法1.1.1秒表法在模型流速較小(一般情況下原型流速小于1m/s)時采用。在模型底板表面放置距離標尺，

8、測量時用秒表統(tǒng)計示蹤物通過測點后一定距離的時間，根據(jù)模型流速比尺換算出原體水流流速。示蹤物可采用紙屑、木屑等比重較小的物質(zhì)。流向的觀測方法基本相同，在模型底板表面放置或繪制方位羅盤，當示蹤物通過羅盤中心時，目測出水流在羅盤上顯示的方位，即水流向。優(yōu)點是直觀、易于操作，缺點是采用目測方法，受人為影響大CL1.2VDMS法VDMS是表面流場實時測量系統(tǒng)的英文簡稱,由清華大學研制。在全國各大科研單位、院校等部門有著廣泛的應用。VDMS是基于粒子圖像測速技術(shù)(PIV)中的粒子跟蹤測速技術(shù)(PTV)研制開發(fā)的大范圍同步測速系統(tǒng)。它可實現(xiàn)對大范圍的恒定流或非恒定流試驗表面流場的實時測量,快速、精確地得到模

9、型試驗研究區(qū)域內(nèi)的流場、斷面流速分布以及單個或多個測點的流速矢量變化過程。優(yōu)點是只需一次生潮就能計算出模型所有測點的流速、流向，缺點是易受人為拋擲示蹤小球影響，而且測量結(jié)果需插值生成到測點上，進而影響測量精度。1.2光電法光電法是目前水工模型試驗中應用最多的流速測量方法。上海洋山深水港區(qū)整體物理模型試驗中使用的流速采集系統(tǒng)由光電式旋槳流速傳感器、電纜、計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，可同時采集64個定點流速。本系統(tǒng)在流速傳感器檢測端裝有微型旋槳葉輪，當水流經(jīng)過旋槳葉輪時，旋槳葉輪葉片的反射面受到光照產(chǎn)生光反射脈沖信號通過光導纖維傳遞，經(jīng)光敏三極管接收后轉(zhuǎn)換為電脈沖輸出，經(jīng)計算機采集處理后生成流速數(shù)據(jù)

10、。光電法的優(yōu)點是可進行人測與計算機采集流速的對比分析，而且費用可以接受，缺點是不能觀測流向，而且需隨模型潮位及來流方向人工調(diào)整旋槳葉輪位置，同時旋槳葉輪置入水中，影響模型流場。1.3多普勒法1.3.1聲學多普勒法ADCP是聲學多普勒流速剖面儀(AcousticDopplerCurrentProfiler)的簡稱。ADCP利用聲學多普勒效應原理進行測驗，用聲波換能器作傳感器，只需將探頭置于水面下一定深度處即可測得垂線剖面的流速分布，具有不擾動流場、測驗歷時短、測速范圍大、測驗呈線性等優(yōu)點。美國SonTek公司于1993年開發(fā)出應用于實驗室水槽和水工模型的聲學多普勒流速儀(ADV,Acoustic

11、DopplerVelocimeters,ADV是ADCP的一種)oADV的特點主要有:可以高精度測出三維流速。測點可以離邊界非常近，可用于極慢流速測量叫L3.2激光多普勒法激光多普勒測速儀是應用多普勒效應，利用激光的高相干性和高能量測量流體或固體流速的一種儀器。這項測量技術(shù)是非浸入式的，不影響模型流場，如能解決造價問題，將是水工模型流速測量技術(shù)的發(fā)展方向。1.3.3超聲多普勒法超聲多普勒流速儀閔采用多普勒測速原理，當儀器所發(fā)射的超聲波在流體中傳播時，通過傳感器提取與流速相關的多普勒頻移信號，經(jīng)放大、解調(diào)、整形等，由微機進行數(shù)據(jù)處理與控制。1.4其他測量方法二維電磁流速儀®研制的目的是

12、在水工測量中測定二維流速。在探頭產(chǎn)生的電磁場作用下，探頭兩電極間通過的水體感生的電勢被電極拾取,經(jīng)處理后得到穩(wěn)定的二維流速數(shù)據(jù)。電阻式流速傳感器S由電阻應變片、金屬桿等組成，當水流作用到金屬桿上，金屬桿將發(fā)生彈性變形，根據(jù)應力一應變關系計算出水流流速的大小。此外，流速測量儀器還有光學流速儀隊電波流速儀吐激光流速計伽等。2流速數(shù)據(jù)處理程序流速測桿又稱為光電式旋槳流速傳感器，是水工模型試驗中常用的流速測量儀器之一,其采集的輸出信號通過電纜與計算機的AD卡相連,經(jīng)過換算將光電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，進而根據(jù)流速測桿K和C值計算得到流速數(shù)值。2.1程序概述本文所述的模型測桿流速處理程序是在VB6.0+Wi

13、nXP系統(tǒng)下調(diào)試通過的。程序?qū)崿F(xiàn)的功能就是計算測桿采集流速的平均值并直觀地以流速過程線圖顯示。程序的控制面板（ControlPanel）分為兩個部分：第一部分為數(shù)據(jù)輸入部分，包括測量方案、流速測站、數(shù)據(jù)文件的輸入以及轉(zhuǎn)流時刻的預設及調(diào)整；第二部分為流速數(shù)據(jù)值的輸出及流速過程線圖的顯示部分，包括流速測量數(shù)據(jù)的顯示，流速平均值的顯示以及流速過程線圖的繪制。程序界面見圖lo圖1模型測桿流速處理程序界面*,入方心54號：方*:Jit.:數(shù)據(jù)澈友都芬（53上理®四配nam；I&T廿j3倨廠45命一*牌:.曜12.2程序原理海流流速的大小基本上按正弦曲線變化，因此程序通過預設轉(zhuǎn)流時刻判斷

14、漲落潮。根據(jù)流速由大到小，再由小到大的規(guī)律加以調(diào)整，得到與模型觀測時間序列相符的流速過程線，然后將流速測量數(shù)據(jù)的不合理值剔除進而計算出流速平均值的時間序列。程序框圖見圖2。2.3程序的控制參數(shù)水工模型實驗一次完整的生潮過程由過渡時間段、一次或幾次完整的全潮模擬時間段、兩次全潮模擬時間段間間隔時間段（全潮模擬時間段數(shù)-1）組成。生潮過程生成的測量數(shù)據(jù)序列也由上述的時間段組成。因此程序的控制參數(shù)如下:C/V為過渡段時間長度；GNZ為兩次潮間間隔時間圖2程序運行過程圖長度；N為一次全潮時間長度；CN為全潮單位時間長度內(nèi)采集數(shù)據(jù)個數(shù)；CMV為回退或前進數(shù)據(jù)個數(shù)；£，為流速換算系數(shù)，模型實驗測

15、量的為流體表面的流速，在資料處理時需要換算為垂線平均流速，一般為0.85。2.4程序使用的控件程序由一個窗體（Form）組成，如圖所示,使用的控件如下：TextBox控件-用于數(shù)據(jù)的輸入；Label控件-各項參數(shù)的說明；Frame控件-將窗體分為兩部分，一部分為數(shù)據(jù)處理部分，另一部分為輸出部分；CommandDialog控件-用于數(shù)據(jù)文件的目錄操作；UpDown控件-用于調(diào)整并生成流速的時間序列；CommandButton控件-發(fā)出指令；MsFlexGrid控件-用于顯示流速的時間序列；PictureBox控件-用于繪制流速過程線圖。2.5錯誤數(shù)據(jù)刪除受各種因素的影響，計算機采集到很多不合理的

16、流速數(shù)據(jù)。因此需要從3次測量時間序列中剔除不合理數(shù)值，保留合理數(shù)值并計算出3次流速時間序列的平均值。程序控制流速數(shù)據(jù)的3個參數(shù)為：戶螂為允許最大流速偏差值，0.2m/s;焰為最大合理流速值，4.0ni/s;。皿最小合理流速值,0.09m/so以上數(shù)值可根據(jù)水工模型的具體情況自行設定。2.6程序?qū)崿F(xiàn)過程流速過程線圖用不同顏色(例紅、綠、藍)表示3次流速時間序列的過程線，用黑色表示3次流速時間序列的平均值的過程線。當預設的轉(zhuǎn)流時刻與實際情況存在差異時，需對轉(zhuǎn)流時刻進行調(diào)整。調(diào)整前后的流速過程線圖如圖3,4所示。圖3與圖4相比，流速曲線更加順滑，流速過程趨于合理。尸期1、入方塞&做"

17、;：方食:OKS癮FWE：zT'ti2R礦'll3K礦奇<方母號5際成豈It*j頃皴甌疙Cvr«c>tProoXLimTJIT2OX_”*.«.«、",w«i6«W.圖4調(diào)整后流速過程線圖3結(jié)語現(xiàn)階段水工模型試驗流速的測量方法有示蹤物法、光電法、聲學多普勒法等。其中，光電法是應用最多的流速測量方法。針對光電法編制的流速數(shù)據(jù)處理程序也可應用于其它測量方法取得的測量數(shù)據(jù)。本程序應用于上海國際航運中心洋山港區(qū)整體物理模型試騎中叫實踐證明，程序界1.入方塞及:Zf«；麗MM:gq2-*玲頑城瞄莊、做啷泉蹄

18、江祁施商花'我夜WWK：1名3靠尸豈<SifFQS蘭I*gvi,J?MwnMULjuvv>tir«rTUT4V96面簡捷、直觀，操作簡便，提高了物理模型試驗工作的精度和效率，為科學決策提供了依據(jù)。參考文獻：11北京尚水信息公司.流場實時測量系統(tǒng)用戶手冊M.北京:出版者不詳L2006.2劉明明，呂家才，傅宗甫.水位、流速自動控制及采集系統(tǒng)原理與應用J.河海大學學報，2000,28(2)：88-91.3SL2572000,水道觀測規(guī)范S4宋成慶，黃河寧.談美國SonTek水文儀器公司聲學多普勒測流儀器J海洋技術(shù),1999,18(3)：67-70.5鄧昌閭.LSW-1型超聲波多普勒流速儀J.水文，1991(6)：46-47.6J趙濤，李浙東，黃曉艷.二維電磁流速儀G/