在測定冰蓋下復(fù)式斷面流場、流速的模型試驗中,水體中的運動粒子是重點研究對象。粒子圖像測速（Particle Image Velocimetry,PIV）技術(shù)已在水力學(xué)研究領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用,但該技術(shù)在冰蓋下復(fù)式斷面渠道模型試驗的應(yīng)用為國內(nèi)首次�；谠囼炋攸c,設(shè)計磚砌混凝土的循環(huán)水箱,采用變頻器配合水泵、流量計實現(xiàn)對流量的定量控制,對不同流量下不同斷面的流場、流速進行測定,采用PIV技術(shù)對水體中運動的粒子的位移場進行具體分析。試驗結(jié)果表明,PIV分析結(jié)果能夠直觀反映流場中的狀態(tài),且可以避免測量盲區(qū),其所測的流速與多普勒超聲測速儀測得值吻合較好,并給出了橫向流速分布圖,彌補了傳統(tǒng)方法無法獲得冰蓋下的流場分布的難題。 

【文章來源】：水力發(fā)電. 2020,46(02)北大核心

【文章頁數(shù)】：4 頁

【部分圖文】：

PIV信息采集原理示意

試驗裝置由主槽循環(huán)水箱、水泵、變頻器、電磁流量計、推拉式水位控制尾門、消能裝置和模型冰蓋等組成，其中模型冰采用高密度聚氨酯泡沫代替。通過變頻器對水泵進行精準(zhǔn)控制、電磁流量計進行觀測，在閉合循環(huán)水系統(tǒng)中嚴(yán)格控制復(fù)式斷面水槽的流量，配合消能裝置達到近似均勻流。消能裝置用于消耗動能確保水流均勻穩(wěn)定，水位可通過安裝在下游的尾門的開閉尺度進行調(diào)節(jié)。主槽長20 m、寬1.2 m。試驗采用有機玻璃搭建的模型渠道，在渠道底部每4 m設(shè)置一個測壓管出口。水箱采用水泥磚砌并做防水處理，在上游水箱內(nèi)設(shè)置花墻，渠道要搭建在入流水箱正中央以保證入流對稱。在入水口處設(shè)置穩(wěn)流板和消波網(wǎng)以減少進水流態(tài)的波動從而使出水更加穩(wěn)定。由于試驗周期較長，為減少因管道銹蝕造成流量不穩(wěn)的情況，供水管道均為直徑300 mm的PVP管道。PIV系統(tǒng)由體現(xiàn)流場動態(tài)的示蹤粒子、對比成像系統(tǒng)和后期圖像處理運算系統(tǒng)構(gòu)成，進行流場測量時，將水體摻入適量空心玻璃珠，或其他比重與水體相當(dāng)?shù)氖聚櫫Ｗ樱@些粒子還應(yīng)當(dāng)具有高反光性的特點。當(dāng)被測斷面被高強度激光照射時，測量斷面會形成粒子光斑，通常使用超高速照相機采集示蹤粒子的位置變化圖像，通過識別匹配粒子對后，對示蹤粒子的前后位置坐標(biāo)進行計算分析得到速度矢量分布圖[8]。

本次研究使用聲學(xué)多普勒超聲測速儀(ADV)采集的復(fù)核數(shù)據(jù)，包括軟件控制部分和硬件分析器以及一個側(cè)向的爪式Vectrino+探頭。在進行冰蓋下復(fù)式斷面流速測量實驗時，將多普勒超聲三維流速儀安置在滑道上的可調(diào)節(jié)高度的支架上，以減少手持儀器對測量造成的波動影響，從而使獲得的數(shù)據(jù)更為可靠。支架上安裝有刻度尺，便于精確地移動儀器。為使ADV達到更好的測量效果，在準(zhǔn)備測量的同時，在上游遠離測點處的水中混入細砂，使超聲波在水中可以采集到更好的回聲。在測量過程中發(fā)現(xiàn)水泵會對多普勒超聲三位測速儀的測量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，這是因為水泵在運行的時候，產(chǎn)生的超聲波會干擾到儀器的探頭所要采集的回聲，為此，須將測點安置在盡量遠離水泵的位置。ADV所測得的同一斷面數(shù)據(jù)和PIV經(jīng)過計算濾定獲得的數(shù)據(jù)的對比如圖3所示。由于冰蓋的存在和ADV爪式探頭的尺寸的影響，冰蓋下1 cm和邊壁以上1 cm為流速測量的盲區(qū)，故使用PIV對所測得的數(shù)據(jù)進行補充。由圖3可以看出，在一定范圍內(nèi)，PIV所測得的數(shù)據(jù)和ADV所測得的數(shù)據(jù)吻合較好，此外其他斷面的數(shù)據(jù)也吻合良好，下面將進一步確定PIV技術(shù)應(yīng)用于冰蓋下復(fù)式斷面流速分布測量的可行性。試驗實現(xiàn)了對冰蓋下測量斷面的流速的等時效性的瞬間采集，試驗中，采用變頻器對水泵進行操控，并對不同流量下的斷面流速分布進行采集。使用分析軟件對冰蓋下復(fù)式斷面水流的流場進行分析，對的水體中的示蹤粒子和其他顆粒位移進行分析，結(jié)果見圖4。從圖4可以看出，存在局部的流場分布不均勻的現(xiàn)象。對圖4b中流場的不均勻片段出現(xiàn)的原因分析如下:(1)深槽區(qū)激光需要穿過更厚的水體，水流的輕微波動都會引起一定的光的折射，對成像會造成不同程度的擾動。(2)少量的示蹤粒子和黏粒附著在有機玻璃壁上，造成與其他運動中的示蹤粒子的圖像的重疊和干擾，從而影響程序的判別。(3)為考慮試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)強度，有機玻璃部件之間相接處會加固處理，且有機玻璃壁的材料特性易形成劃痕，這些瘢痕也會對示蹤粒子的圖像捕捉產(chǎn)生一定程度的影響。這些造成軟件無法識別粒子的問題有待于在以后試驗中改進。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于PIV技術(shù)的明槽交匯區(qū)流場試驗研究[J]. 陳凱霖,馮民權(quán),張濤.  水力發(fā)電學(xué)報. 2018(11)
[2]梭錐管混濁流體分離裝置流場PIV測試及分析[J]. 李琳,楊海華,王苗,邱秀云.  水利學(xué)報. 2013(09)
[3]應(yīng)用粒子圖像速度場儀對泊肅葉流動及圓柱繞流的測量[J]. 張瑋,王元,徐忠,金文.  西安交通大學(xué)學(xué)報. 2002(03)
[4]二維PIV圖像處理算法[J]. 王燦星,林建忠,山本富士夫.  水動力學(xué)研究與進展（A輯）. 2001(04)

碩士論文
[1]復(fù)式斷面明渠中二次流與紊流擬序結(jié)構(gòu)直接數(shù)值模擬研究[D]. 陳勇.天津大學(xué) 2017



本文編號：3215053