水工模型試驗(yàn)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(yùn)工程Port&WaterwayEngineeringDec.2008No.12SerialNo.422綜合水工模型試驗(yàn)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(yùn)工程科學(xué)研究院工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456)摘要：在水工模型試驗(yàn)中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度與精確度直接關(guān)系到科研成果的質(zhì)量。流速是模型試驗(yàn)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(xué)多普勒法等。光電法是目前水工模型試驗(yàn)中應(yīng)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(jì)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(yīng)用于上海國際航運(yùn)中心洋山港區(qū)整體物理模型試驗(yàn)的實(shí)踐表明，程序采用微調(diào)方法，解決了判斷漲落潮時(shí)存在的問題，提高了水工模型試驗(yàn)工作的精度和效率，為科學(xué)決策提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：水工模型試驗(yàn)；流速測桿；流速時(shí)間序列；測量方法中圖分類號(hào)：TV131.65文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：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(yàn)中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲得是一項(xiàng)非常重要的工作。數(shù)據(jù)的

7、準(zhǔn)確度與精確度直接關(guān)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(shí)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(diǎn)，因此模型試驗(yàn)使用與現(xiàn)場測驗(yàn)完全不同的測量儀器，同時(shí)施測準(zhǔn)確性較現(xiàn)場差。如何處理測量數(shù)據(jù)并生成正確的時(shí)間序列也是水工模型試驗(yàn)中關(guān)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(shí)采用。在模型底板表面放置距離標(biāo)尺，

8、測量時(shí)用秒表統(tǒng)計(jì)示蹤物通過測點(diǎn)后一定距離的時(shí)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(dāng)示蹤物通過羅盤中心時(shí)，目測出水流在羅盤上顯示的方位，即水流向。優(yōu)點(diǎn)是直觀、易于操作，缺點(diǎn)是采用目測方法，受人為影響大CL1.2VDMS法VDMS是表面流場實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)的英文簡稱,由清華大學(xué)研制。在全國各大科研單位、院校等部門有著廣泛的應(yīng)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(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍的恒定流或非恒定流試驗(yàn)表面流場的實(shí)時(shí)測量,快速、精確地得到模

9、型試驗(yàn)研究區(qū)域內(nèi)的流場、斷面流速分布以及單個(gè)或多個(gè)測點(diǎn)的流速矢量變化過程。優(yōu)點(diǎn)是只需一次生潮就能計(jì)算出模型所有測點(diǎn)的流速、流向，缺點(diǎn)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(diǎn)上，進(jìn)而影響測量精度。1.2光電法光電法是目前水工模型試驗(yàn)中應(yīng)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(yàn)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(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，可同時(shí)采集64個(gè)定點(diǎn)流速。本系統(tǒng)在流速傳感器檢測端裝有微型旋槳葉輪，當(dāng)水流經(jīng)過旋槳葉輪時(shí)，旋槳葉輪葉片的反射面受到光照產(chǎn)生光反射脈沖信號(hào)通過光導(dǎo)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(jì)算機(jī)采集處理后生成流速數(shù)據(jù)

10、。光電法的優(yōu)點(diǎn)是可進(jìn)行人測與計(jì)算機(jī)采集流速的對(duì)比分析，而且費(fèi)用可以接受，缺點(diǎn)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(shí)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(xué)多普勒法ADCP是聲學(xué)多普勒流速剖面儀(AcousticDopplerCurrentProfiler)的簡稱。ADCP利用聲學(xué)多普勒效應(yīng)原理進(jìn)行測驗(yàn)，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(dòng)流場、測驗(yàn)歷時(shí)短、測速范圍大、測驗(yàn)呈線性等優(yōu)點(diǎn)。美國SonTek公司于1993年開發(fā)出應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室水槽和水工模型的聲學(xué)多普勒流速儀(ADV,Acoustic

11、DopplerVelocimeters,ADV是ADCP的一種)oADV的特點(diǎn)主要有:可以高精度測出三維流速。測點(diǎn)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(yīng)用多普勒效應(yīng)，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(xiàng)測量技術(shù)是非浸入式的，不影響模型流場，如能解決造價(jià)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(dāng)儀器所發(fā)射的超聲波在流體中傳播時(shí)，通過傳感器提取與流速相關(guān)的多普勒頻移信號(hào)，經(jīng)放大、解調(diào)、整形等，由微機(jī)進(jìn)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(yīng)變片、金屬桿等組成，當(dāng)水流作用到金屬桿上，金屬桿將發(fā)生彈性變形，根據(jù)應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系計(jì)算出水流流速的大小。此外，流速測量儀器還有光學(xué)流速儀隊(duì)電波流速儀吐激光流速計(jì)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(yàn)中常用的流速測量儀器之一,其采集的輸出信號(hào)通過電纜與計(jì)算機(jī)的AD卡相連,經(jīng)過換算將光電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而根據(jù)流速測桿K和C值計(jì)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(jì)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(gè)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(shí)刻的預(yù)設(shè)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(hào)：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(yù)設(shè)轉(zhuǎn)流時(shí)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(shí)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(jìn)而計(jì)算出流速平均值的時(shí)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(shí)驗(yàn)一次完整的生潮過程由過渡時(shí)間段、一次或幾次完整的全潮模擬時(shí)間段、兩次全潮模擬時(shí)間段間間隔時(shí)間段（全潮模擬時(shí)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(shí)間段組成。因此程序的控制參數(shù)如下:C/V為過渡段時(shí)間長度；GNZ為兩次潮間間隔時(shí)間圖2程序運(yùn)行過程圖長度；N為一次全潮時(shí)間長度；CN為全潮單位時(shí)間長度內(nèi)采集數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；CMV為回退或前進(jìn)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；£，為流速換算系數(shù)，模型實(shí)驗(yàn)測

15、量的為流體表面的流速，在資料處理時(shí)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(gè)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(xiàng)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(shí)間序列；CommandButton控件-發(fā)出指令；MsFlexGrid控件-用于顯示流速的時(shí)間序列；PictureBox控件-用于繪制流速過程線圖。2.5錯(cuò)誤數(shù)據(jù)刪除受各種因素的影響，計(jì)算機(jī)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(shí)間序列中剔除不合理數(shù)值，保留合理數(shù)值并計(jì)算出3次流速時(shí)間序列的平均值。程序控制流速數(shù)據(jù)的3個(gè)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(shè)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(lán))表示3次流速時(shí)間序列的過程線，用黑色表示3次流速時(shí)間序列的平均值的過程線。當(dāng)預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)流時(shí)刻與實(shí)際情況存在差異時(shí)，需對(duì)轉(zhuǎn)流時(shí)刻進(jìn)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(hào)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(yàn)流速的測量方法有示蹤物法、光電法、聲學(xué)多普勒法等。其中，光電法是應(yīng)用最多的流速測量方法。針對(duì)光電法編制的流速數(shù)據(jù)處理程序也可應(yīng)用于其它測量方法取得的測量數(shù)據(jù)。本程序應(yīng)用于上海國際航運(yùn)中心洋山港區(qū)整體物理模型試騎中叫實(shí)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(yàn)工作的精度和效率，為科學(xué)決策提供了依據(jù)。參考文獻(xiàn)：11北京尚水信息公司.流場實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)用戶手冊(cè)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(dòng)控制及采集系統(tǒng)原理與應(yīng)用J.河海大學(xué)學(xué)報(bào)，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(xué)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/