PIV技术在冰盖下复式断面渠道流速测量中的运用
发布时间：2021-06-06 20:06
在测定冰盖下复式断面流场、流速的模型试验中,水体中的运动粒子是重点研究对象。粒子图像测速（Particle Image Velocimetry,PIV）技术已在水力学研究领域得到普遍应用,但该技术在冰盖下复式断面渠道模型试验的应用为国内首次。基于试验特点,设计砖砌混凝土的循环水箱,采用变频器配合水泵、流量计实现对流量的定量控制,对不同流量下不同断面的流场、流速进行测定,采用PIV技术对水体中运动的粒子的位移场进行具体分析。试验结果表明,PIV分析结果能够直观反映流场中的状态,且可以避免测量盲区,其所测的流速与多普勒超声测速仪测得值吻合较好,并给出了横向流速分布图,弥补了传统方法无法获得冰盖下的流场分布的难题。
【文章来源】：水力发电. 2020,46(02)北大核心
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
PIV信息采集原理示意
试验装置由主槽循环水箱、水泵、变频器、电磁流量计、推拉式水位控制尾门、消能装置和模型冰盖等组成，其中模型冰采用高密度聚氨酯泡沫代替。通过变频器对水泵进行精准控制、电磁流量计进行观测，在闭合循环水系统中严格控制复式断面水槽的流量，配合消能装置达到近似均匀流。消能装置用于消耗动能确保水流均匀稳定，水位可通过安装在下游的尾门的开闭尺度进行调节。主槽长20 m、宽1.2 m。试验采用有机玻璃搭建的模型渠道，在渠道底部每4 m设置一个测压管出口。水箱采用水泥砖砌并做防水处理，在上游水箱内设置花墙，渠道要搭建在入流水箱正中央以保证入流对称。在入水口处设置稳流板和消波网以减少进水流态的波动从而使出水更加稳定。由于试验周期较长，为减少因管道锈蚀造成流量不稳的情况，供水管道均为直径300 mm的PVP管道。PIV系统由体现流场动态的示踪粒子、对比成像系统和后期图像处理运算系统构成，进行流场测量时，将水体掺入适量空心玻璃珠，或其他比重与水体相当的示踪粒子，这些粒子还应当具有高反光性的特点。当被测断面被高强度激光照射时，测量断面会形成粒子光斑，通常使用超高速照相机采集示踪粒子的位置变化图像，通过识别匹配粒子对后，对示踪粒子的前后位置坐标进行计算分析得到速度矢量分布图[8]。
本次研究使用声学多普勒超声测速仪(ADV)采集的复核数据，包括软件控制部分和硬件分析器以及一个侧向的爪式Vectrino+探头。在进行冰盖下复式断面流速测量实验时，将多普勒超声三维流速仪安置在滑道上的可调节高度的支架上，以减少手持仪器对测量造成的波动影响，从而使获得的数据更为可靠。支架上安装有刻度尺，便于精确地移动仪器。为使ADV达到更好的测量效果，在准备测量的同时，在上游远离测点处的水中混入细砂，使超声波在水中可以采集到更好的回声。在测量过程中发现水泵会对多普勒超声三位测速仪的测量结果产生一定的影响，这是因为水泵在运行的时候，产生的超声波会干扰到仪器的探头所要采集的回声，为此，须将测点安置在尽量远离水泵的位置。ADV所测得的同一断面数据和PIV经过计算滤定获得的数据的对比如图3所示。由于冰盖的存在和ADV爪式探头的尺寸的影响，冰盖下1 cm和边壁以上1 cm为流速测量的盲区，故使用PIV对所测得的数据进行补充。由图3可以看出，在一定范围内，PIV所测得的数据和ADV所测得的数据吻合较好，此外其他断面的数据也吻合良好，下面将进一步确定PIV技术应用于冰盖下复式断面流速分布测量的可行性。试验实现了对冰盖下测量断面的流速的等时效性的瞬间采集，试验中，采用变频器对水泵进行操控，并对不同流量下的断面流速分布进行采集。使用分析软件对冰盖下复式断面水流的流场进行分析，对的水体中的示踪粒子和其他颗粒位移进行分析，结果见图4。从图4可以看出，存在局部的流场分布不均匀的现象。对图4b中流场的不均匀片段出现的原因分析如下:(1)深槽区激光需要穿过更厚的水体，水流的轻微波动都会引起一定的光的折射，对成像会造成不同程度的扰动。(2)少量的示踪粒子和黏粒附着在有机玻璃壁上，造成与其他运动中的示踪粒子的图像的重叠和干扰，从而影响程序的判别。(3)为考虑试验模型结构强度，有机玻璃部件之间相接处会加固处理，且有机玻璃壁的材料特性易形成划痕，这些瘢痕也会对示踪粒子的图像捕捉产生一定程度的影响。这些造成软件无法识别粒子的问题有待于在以后试验中改进。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于PIV技术的明槽交汇区流场试验研究[J]. 陈凯霖,冯民权,张涛. 水力发电学报. 2018(11)
[2]梭锥管混浊流体分离装置流场PIV测试及分析[J]. 李琳,杨海华,王苗,邱秀云. 水利学报. 2013(09)
[3]应用粒子图像速度场仪对泊肃叶流动及圆柱绕流的测量[J]. 张玮,王元,徐忠,金文. 西安交通大学学报. 2002(03)
[4]二维PIV图像处理算法[J]. 王灿星,林建忠,山本富士夫. 水动力学研究与进展（A辑）. 2001(04)
硕士论文
[1]复式断面明渠中二次流与紊流拟序结构直接数值模拟研究[D]. 陈勇.天津大学 2017
本文编号：3215053
【文章来源】：水力发电. 2020,46(02)北大核心
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
PIV信息采集原理示意
试验装置由主槽循环水箱、水泵、变频器、电磁流量计、推拉式水位控制尾门、消能装置和模型冰盖等组成，其中模型冰采用高密度聚氨酯泡沫代替。通过变频器对水泵进行精准控制、电磁流量计进行观测，在闭合循环水系统中严格控制复式断面水槽的流量，配合消能装置达到近似均匀流。消能装置用于消耗动能确保水流均匀稳定，水位可通过安装在下游的尾门的开闭尺度进行调节。主槽长20 m、宽1.2 m。试验采用有机玻璃搭建的模型渠道，在渠道底部每4 m设置一个测压管出口。水箱采用水泥砖砌并做防水处理，在上游水箱内设置花墙，渠道要搭建在入流水箱正中央以保证入流对称。在入水口处设置稳流板和消波网以减少进水流态的波动从而使出水更加稳定。由于试验周期较长，为减少因管道锈蚀造成流量不稳的情况，供水管道均为直径300 mm的PVP管道。PIV系统由体现流场动态的示踪粒子、对比成像系统和后期图像处理运算系统构成，进行流场测量时，将水体掺入适量空心玻璃珠，或其他比重与水体相当的示踪粒子，这些粒子还应当具有高反光性的特点。当被测断面被高强度激光照射时，测量断面会形成粒子光斑，通常使用超高速照相机采集示踪粒子的位置变化图像，通过识别匹配粒子对后，对示踪粒子的前后位置坐标进行计算分析得到速度矢量分布图[8]。
本次研究使用声学多普勒超声测速仪(ADV)采集的复核数据，包括软件控制部分和硬件分析器以及一个侧向的爪式Vectrino+探头。在进行冰盖下复式断面流速测量实验时，将多普勒超声三维流速仪安置在滑道上的可调节高度的支架上，以减少手持仪器对测量造成的波动影响，从而使获得的数据更为可靠。支架上安装有刻度尺，便于精确地移动仪器。为使ADV达到更好的测量效果，在准备测量的同时，在上游远离测点处的水中混入细砂，使超声波在水中可以采集到更好的回声。在测量过程中发现水泵会对多普勒超声三位测速仪的测量结果产生一定的影响，这是因为水泵在运行的时候，产生的超声波会干扰到仪器的探头所要采集的回声，为此，须将测点安置在尽量远离水泵的位置。ADV所测得的同一断面数据和PIV经过计算滤定获得的数据的对比如图3所示。由于冰盖的存在和ADV爪式探头的尺寸的影响，冰盖下1 cm和边壁以上1 cm为流速测量的盲区，故使用PIV对所测得的数据进行补充。由图3可以看出，在一定范围内，PIV所测得的数据和ADV所测得的数据吻合较好，此外其他断面的数据也吻合良好，下面将进一步确定PIV技术应用于冰盖下复式断面流速分布测量的可行性。试验实现了对冰盖下测量断面的流速的等时效性的瞬间采集，试验中，采用变频器对水泵进行操控，并对不同流量下的断面流速分布进行采集。使用分析软件对冰盖下复式断面水流的流场进行分析，对的水体中的示踪粒子和其他颗粒位移进行分析，结果见图4。从图4可以看出，存在局部的流场分布不均匀的现象。对图4b中流场的不均匀片段出现的原因分析如下:(1)深槽区激光需要穿过更厚的水体，水流的轻微波动都会引起一定的光的折射，对成像会造成不同程度的扰动。(2)少量的示踪粒子和黏粒附着在有机玻璃壁上，造成与其他运动中的示踪粒子的图像的重叠和干扰，从而影响程序的判别。(3)为考虑试验模型结构强度，有机玻璃部件之间相接处会加固处理，且有机玻璃壁的材料特性易形成划痕，这些瘢痕也会对示踪粒子的图像捕捉产生一定程度的影响。这些造成软件无法识别粒子的问题有待于在以后试验中改进。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于PIV技术的明槽交汇区流场试验研究[J]. 陈凯霖,冯民权,张涛. 水力发电学报. 2018(11)
[2]梭锥管混浊流体分离装置流场PIV测试及分析[J]. 李琳,杨海华,王苗,邱秀云. 水利学报. 2013(09)
[3]应用粒子图像速度场仪对泊肃叶流动及圆柱绕流的测量[J]. 张玮,王元,徐忠,金文. 西安交通大学学报. 2002(03)
[4]二维PIV图像处理算法[J]. 王灿星,林建忠,山本富士夫. 水动力学研究与进展（A辑）. 2001(04)
硕士论文
[1]复式断面明渠中二次流与紊流拟序结构直接数值模拟研究[D]. 陈勇.天津大学 2017
本文编号：3215053
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