水工模型试验的流速测量方法与数据处理程序.docx

1、2008年12月第12期总第422期水运工程Port&WaterwayEngineeringDec.2008No.12SerialNo.422综合水工模型试验的流速测量方法与数据处理程序刘国亭(交通部天津水运工程科学研究院工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456)摘要：在水工模型试验中，基础数据的准确度与精确度直接关系到科研成果的质量。流速是模型试验中观测的主要数据之一。模型流速的测量方法有许多种，如示踪物法、光电法、声学多普勒法等。光电法是目前水工模型试验中应用最多的流速测量方法。文章所述的模型测杆流速处理程序实现的功能就是计算流速测杆采集流速的平均值并直观地以流速过程线图显示。

2、通过应用于上海国际航运中心洋山港区整体物理模型试验的实践表明，程序采用微调方法，解决了判断涨落潮时存在的问题，提高了水工模型试验工作的精度和效率，为科学决策提供了依据。关键词：水工模型试验；流速测杆；流速时间序列；测量方法中图分类号：TV131.65文献标志码：A文章编号：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在水工模型试验中，基础数据的获得是一项非常重要的工作。数据的

7、准确度与精确度直接关系到科研成果的质量。模型流速测量工作与现场流速测量工作相比较，具有施测时间短、流速变收稿日期：2008-06-06作者简介：刘国亭(1971),男，副研究员，主要从事海岸河口泥沙研究。收稿日期：2008-06-06作者简介：刘国亭(1971),男，副研究员，主要从事海岸河口泥沙研究。化快、受边界影响大等特点，因此模型试验使用与现场测验完全不同的测量仪器，同时施测准确性较现场差。如何处理测量数据并生成正确的时间序列也是水工模型试验中关键的工作之一。1流速的测量方法1.1不踪物法1.1.1秒表法在模型流速较小(一般情况下原型流速小于1m/s)时采用。在模型底板表面放置距离标尺，

8、测量时用秒表统计示踪物通过测点后一定距离的时间，根据模型流速比尺换算出原体水流流速。示踪物可采用纸屑、木屑等比重较小的物质。流向的观测方法基本相同，在模型底板表面放置或绘制方位罗盘，当示踪物通过罗盘中心时，目测出水流在罗盘上显示的方位，即水流向。优点是直观、易于操作，缺点是采用目测方法，受人为影响大CL1.2VDMS法VDMS是表面流场实时测量系统的英文简称,由清华大学研制。在全国各大科研单位、院校等部门有着广泛的应用。VDMS是基于粒子图像测速技术(PIV)中的粒子跟踪测速技术(PTV)研制开发的大范围同步测速系统。它可实现对大范围的恒定流或非恒定流试验表面流场的实时测量,快速、精确地得到模

9、型试验研究区域内的流场、断面流速分布以及单个或多个测点的流速矢量变化过程。优点是只需一次生潮就能计算出模型所有测点的流速、流向，缺点是易受人为抛掷示踪小球影响，而且测量结果需插值生成到测点上，进而影响测量精度。1.2光电法光电法是目前水工模型试验中应用最多的流速测量方法。上海洋山深水港区整体物理模型试验中使用的流速采集系统由光电式旋桨流速传感器、电缆、计算机数据采集系统等组成，可同时采集64个定点流速。本系统在流速传感器检测端装有微型旋桨叶轮，当水流经过旋桨叶轮时，旋桨叶轮叶片的反射面受到光照产生光反射脉冲信号通过光导纤维传递，经光敏三极管接收后转换为电脉冲输出，经计算机采集处理后生成流速数据

10、。光电法的优点是可进行人测与计算机采集流速的对比分析，而且费用可以接受，缺点是不能观测流向，而且需随模型潮位及来流方向人工调整旋桨叶轮位置，同时旋桨叶轮置入水中，影响模型流场。1.3多普勒法1.3.1声学多普勒法ADCP是声学多普勒流速剖面仪(AcousticDopplerCurrentProfiler)的简称。ADCP利用声学多普勒效应原理进行测验，用声波换能器作传感器，只需将探头置于水面下一定深度处即可测得垂线剖面的流速分布，具有不扰动流场、测验历时短、测速范围大、测验呈线性等优点。美国SonTek公司于1993年开发出应用于实验室水槽和水工模型的声学多普勒流速仪(ADV,Acoustic

11、DopplerVelocimeters,ADV是ADCP的一种)oADV的特点主要有:可以高精度测出三维流速。测点可以离边界非常近，可用于极慢流速测量叫L3.2激光多普勒法激光多普勒测速仪是应用多普勒效应，利用激光的高相干性和高能量测量流体或固体流速的一种仪器。这项测量技术是非浸入式的，不影响模型流场，如能解决造价问题，将是水工模型流速测量技术的发展方向。1.3.3超声多普勒法超声多普勒流速仪闵采用多普勒测速原理，当仪器所发射的超声波在流体中传播时，通过传感器提取与流速相关的多普勒频移信号，经放大、解调、整形等，由微机进行数据处理与控制。1.4其他测量方法二维电磁流速仪®研制的目的是

12、在水工测量中测定二维流速。在探头产生的电磁场作用下，探头两电极间通过的水体感生的电势被电极拾取,经处理后得到稳定的二维流速数据。电阻式流速传感器S由电阻应变片、金属杆等组成，当水流作用到金属杆上，金属杆将发生弹性变形，根据应力一应变关系计算出水流流速的大小。此外，流速测量仪器还有光学流速仪队电波流速仪吐激光流速计伽等。2流速数据处理程序流速测杆又称为光电式旋桨流速传感器，是水工模型试验中常用的流速测量仪器之一,其采集的输出信号通过电缆与计算机的AD卡相连,经过换算将光电信号转化为数字信号，进而根据流速测杆K和C值计算得到流速数值。2.1程序概述本文所述的模型测杆流速处理程序是在VB6.0+Wi

13、nXP系统下调试通过的。程序实现的功能就是计算测杆采集流速的平均值并直观地以流速过程线图显示。程序的控制面板（ControlPanel）分为两个部分：第一部分为数据输入部分，包括测量方案、流速测站、数据文件的输入以及转流时刻的预设及调整；第二部分为流速数据值的输出及流速过程线图的显示部分，包括流速测量数据的显示，流速平均值的显示以及流速过程线图的绘制。程序界面见图lo图1模型测杆流速处理程序界面*,入方心54号：方*:Jit.:数据澈友都芬（53上理®四配nam；I&T廿j3倨厂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线变化，因此程序通过预设转流时刻判断

14、涨落潮。根据流速由大到小，再由小到大的规律加以调整，得到与模型观测时间序列相符的流速过程线，然后将流速测量数据的不合理值剔除进而计算出流速平均值的时间序列。程序框图见图2。2.3程序的控制参数水工模型实验一次完整的生潮过程由过渡时间段、一次或几次完整的全潮模拟时间段、两次全潮模拟时间段间间隔时间段（全潮模拟时间段数-1）组成。生潮过程生成的测量数据序列也由上述的时间段组成。因此程序的控制参数如下:C/V为过渡段时间长度；GNZ为两次潮间间隔时间图2程序运行过程图长度；N为一次全潮时间长度；CN为全潮单位时间长度内采集数据个数；CMV为回退或前进数据个数；£，为流速换算系数，模型实验测

15、量的为流体表面的流速，在资料处理时需要换算为垂线平均流速，一般为0.85。2.4程序使用的控件程序由一个窗体（Form）组成，如图所示,使用的控件如下：TextBox控件-用于数据的输入；Label控件-各项参数的说明；Frame控件-将窗体分为两部分，一部分为数据处理部分，另一部分为输出部分；CommandDialog控件-用于数据文件的目录操作；UpDown控件-用于调整并生成流速的时间序列；CommandButton控件-发出指令；MsFlexGrid控件-用于显示流速的时间序列；PictureBox控件-用于绘制流速过程线图。2.5错误数据删除受各种因素的影响，计算机采集到很多不合理的

16、流速数据。因此需要从3次测量时间序列中剔除不合理数值，保留合理数值并计算出3次流速时间序列的平均值。程序控制流速数据的3个参数为：户螂为允许最大流速偏差值，0.2m/s;焰为最大合理流速值，4.0ni/s;。皿最小合理流速值,0.09m/so以上数值可根据水工模型的具体情况自行设定。2.6程序实现过程流速过程线图用不同颜色(例红、绿、蓝)表示3次流速时间序列的过程线，用黑色表示3次流速时间序列的平均值的过程线。当预设的转流时刻与实际情况存在差异时，需对转流时刻进行调整。调整前后的流速过程线图如图3,4所示。图3与图4相比，流速曲线更加顺滑，流速过程趋于合理。尸期1、入方塞&做"

17、;：方食:OKS瘾FWE：zT'ti2R矿'll3K矿奇<方母号5际成岂It*j顷皴瓯疙Cvr«c>tProoXLimTJIT2OX_”*.«.«、",w«i6«W.图4调整后流速过程线图3结语现阶段水工模型试验流速的测量方法有示踪物法、光电法、声学多普勒法等。其中，光电法是应用最多的流速测量方法。针对光电法编制的流速数据处理程序也可应用于其它测量方法取得的测量数据。本程序应用于上海国际航运中心洋山港区整体物理模型试骑中叫实践证明，程序界1.入方塞及:Zf«；丽MM:gq2-*玲顽城瞄庄、做啷泉蹄

18、江祁施商花'我夜WWK：1名3靠尸岂<SifFQS兰I*gvi,J?MwnMULjuvv>tir«rTUT4V96面简捷、直观，操作简便，提高了物理模型试验工作的精度和效率，为科学决策提供了依据。参考文献：11北京尚水信息公司.流场实时测量系统用户手册M.北京:出版者不详L2006.2刘明明，吕家才，傅宗甫.水位、流速自动控制及采集系统原理与应用J.河海大学学报，2000,28(2)：88-91.3SL2572000,水道观测规范S4宋成庆，黄河宁.谈美国SonTek水文仪器公司声学多普勒测流仪器J海洋技术,1999,18(3)：67-70.5邓昌闾.LSW-1型超声波多普勒流速仪J.水文，1991(6)：46-47.6J赵涛，李浙东，黄晓艳.二维电磁流速仪G/