本發(fā)明涉及水流紊動(dòng)強(qiáng)度測(cè)量，尤其涉及一種泥沙環(huán)境下的挾沙水流紊動(dòng)強(qiáng)度量測(cè)方法及其模型。

背景技術(shù)：

1、除理論推導(dǎo)外，通過(guò)設(shè)計(jì)或改造相關(guān)儀器設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下直接觀察水流紊動(dòng)結(jié)構(gòu)及其特性參數(shù)量測(cè)長(zhǎng)期以來(lái)一直是紊流研究的焦點(diǎn)。作為水流紊動(dòng)特性的重要參數(shù)之一，水流紊動(dòng)強(qiáng)度通常以脈動(dòng)流速的均方根作為量化指標(biāo)。將傳統(tǒng)水流紊動(dòng)特性量測(cè)方法與設(shè)備應(yīng)用于高含沙與極細(xì)顆粒泥沙環(huán)境中仍面臨如下問(wèn)題與挑戰(zhàn)。對(duì)于粒子圖像測(cè)速技術(shù)，盡管避免了接觸式測(cè)量所引起的局部流場(chǎng)變化，但一方面，高含沙使得流體中示蹤粒子密度大大增加，只能通過(guò)將圖像劃分為一個(gè)個(gè)稱之為窗口的小區(qū)域，利用窗口內(nèi)的平均速度來(lái)作為該區(qū)域中心點(diǎn)的當(dāng)?shù)亓魉?，然后基于一系列相關(guān)算法在第二幀圖像中尋找與第一幀圖像某一窗口的互相關(guān)函數(shù)取值達(dá)到峰值的窗口位置，以峰值的位置相對(duì)于第一幀圖像中窗口中心點(diǎn)的位移和方向作為窗口內(nèi)粒子的平均位移和方向的替代，這樣的處理方法大大降低了處理的計(jì)算效率與精度；另一方面，聲學(xué)多普勒測(cè)速儀在高含沙環(huán)境下易遭到破壞，同時(shí)會(huì)對(duì)挾沙水流局部流場(chǎng)造成擾動(dòng)，對(duì)試驗(yàn)量測(cè)結(jié)果造成影響。

2、因此，針對(duì)適用于高含沙與極細(xì)顆粒泥沙環(huán)境下的挾沙水流紊動(dòng)強(qiáng)度量測(cè)方法及模型的研究，設(shè)計(jì)出了一種泥沙環(huán)境下的挾沙水流紊動(dòng)強(qiáng)度量測(cè)方法及其模型。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決實(shí)驗(yàn)室高含沙與極細(xì)顆粒沙條件下的水流紊動(dòng)強(qiáng)度量測(cè)問(wèn)題，提出了一種泥沙環(huán)境下的挾沙水流紊動(dòng)強(qiáng)度量測(cè)方法及其模型，以挾沙水流的脈動(dòng)壓強(qiáng)作為紊動(dòng)強(qiáng)度量化指標(biāo)，在保證了量測(cè)效率與精度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了量測(cè)自動(dòng)化以避免人為操作對(duì)量測(cè)結(jié)果所造成的干擾，又突破了挾沙水流紊動(dòng)強(qiáng)度測(cè)量過(guò)程中含沙量與泥沙粒徑量程這一技術(shù)瓶頸，可在物理模型試驗(yàn)方面為泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)研究提供技術(shù)支撐。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

3、一種泥沙環(huán)境下的挾沙水流紊動(dòng)強(qiáng)度量測(cè)方法，包括以下步驟：

4、s1步驟，模型輸入條件的確定，包括含沙量與泥沙中值粒徑的取值范圍；

5、s2步驟，模型調(diào)試運(yùn)行，調(diào)控水流控制系統(tǒng)，測(cè)量模型斷面水深及流速數(shù)據(jù)；

6、s3步驟，依據(jù)均勻流-紊流-緩流模式判定模型實(shí)驗(yàn)條件；

7、s4步驟，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的搜集，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)量測(cè)水流脈動(dòng)壓強(qiáng)；

8、s5步驟，對(duì)搜集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，輸出挾沙水流紊動(dòng)強(qiáng)度的量化指標(biāo)。

9、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案，s1步驟中，模型輸入條件的確定，包括含沙量s與泥沙中值粒徑d50的取值范圍，采用以下方式：

10、s11步驟，泥沙中值粒徑d50的取值范圍：0＜d50≤0.5mm，含沙量s的取值范圍：0＜s≤500kg/m3，單一組次模型試驗(yàn)中的含沙量s與泥沙中值粒徑d50為恒定條件，通過(guò)分別給定含沙量與泥沙中值粒徑變化步長(zhǎng)確定各組次試驗(yàn)中的模型輸入條件，采用下式表示：

11、s+(i-1)×δs

12、d50+(i-1)×δd50

13、其中，s表示含沙量，i表示模型的第i個(gè)試驗(yàn)組次，δs表示含沙量的變化步長(zhǎng)，d50表示泥沙中值粒徑，δd50表示泥沙中值粒徑的變化步長(zhǎng)；

14、s12步驟，按照模型輸入條件中的泥沙中值粒徑，利用篩網(wǎng)篩選原型沙以預(yù)制實(shí)驗(yàn)沙，使用顆粒度分析儀分析并繪制實(shí)驗(yàn)沙的粒徑級(jí)配曲線，通過(guò)粒徑級(jí)配曲線得到模型輸入條件所需實(shí)驗(yàn)沙的泥沙中值粒徑，按照模型輸入條件中的含沙量，將上述試驗(yàn)用沙和清水加入渾水?dāng)嚢璩刂?，攪拌配制滿足實(shí)驗(yàn)要求的渾水。

15、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案，s2步驟中，模型的水流控制系統(tǒng)的調(diào)試包括以下步驟：

16、s21步驟，基于模型輸入條件，分別通過(guò)水流控制系統(tǒng)調(diào)整模型流量與尾門開(kāi)度，試運(yùn)行整個(gè)模型；

17、s22步驟，待進(jìn)入模型的挾沙水流趨于穩(wěn)定后，利用量測(cè)系統(tǒng)量測(cè)模型試運(yùn)行過(guò)程中明渠水槽的斷面水深及流速數(shù)據(jù)。

18、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案，s3步驟中，依據(jù)均勻流-紊流-緩流模式判定模型實(shí)驗(yàn)條件，均勻流-紊流-緩流模式的判定包括以下步驟：

19、s31步驟，基于s2步驟的模型斷面水深及流速數(shù)據(jù)，采用以下公式分別計(jì)算模型試運(yùn)行過(guò)程中挾沙水流的弗汝德數(shù)fr、雷諾數(shù)re與沿程比降j：

20、

21、re＝vr/η

22、

23、式中，v為明渠水槽斷面流速，r表示河流的水力半徑，其為明渠水槽過(guò)水?dāng)嗝婷娣e與水槽濕周的比值；g為重力加速度，h表示明渠水槽斷面水深，η為清水水流的粘滯系數(shù)，hi表示第i個(gè)水位計(jì)的水位讀數(shù)，ng表示水位計(jì)總數(shù)，δlg表示相鄰水位計(jì)的間距；

24、s32步驟，基于弗汝德數(shù)、雷諾數(shù)與沿程比降的計(jì)算結(jié)果判定當(dāng)前水流是否滿足均勻流-紊流-緩流模式，當(dāng)沿程比降保持不變且與明渠水槽坡度相等時(shí)，判定挾沙水流為均勻流；當(dāng)雷諾數(shù)大于10000時(shí)，判定挾沙水流為紊流；當(dāng)弗汝德數(shù)小于1時(shí)，判定挾沙水流為緩流；

25、s33步驟，若s32步驟滿足均勻流-紊流-緩流模式條件，則進(jìn)行s4步驟，若不滿足，則返回s2步驟，重新通過(guò)水流控制系統(tǒng)調(diào)整模型流量與尾門開(kāi)度。

26、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案，s4步驟中，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的搜集包括以下步驟：

27、s41步驟，待模型中挾沙水流穩(wěn)定后，滿足均勻流-紊流-緩流模式條件，通過(guò)量測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄水流脈動(dòng)壓強(qiáng)在初始測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)值并繪制瞬時(shí)值變化曲線，單個(gè)測(cè)點(diǎn)采樣時(shí)間為60秒，且在采樣時(shí)間內(nèi)重復(fù)記錄3次；

28、s42步驟，利用含沙量測(cè)量器實(shí)時(shí)記錄挾沙水流含沙量變化情況，若含沙量在測(cè)量過(guò)程中基本保持不變，則進(jìn)行s43步驟，若含沙量在測(cè)量過(guò)程中顯著減小，則通過(guò)向渾水?dāng)嚢璩丶由车姆绞竭M(jìn)行相應(yīng)調(diào)整；

29、s43步驟，水流脈動(dòng)壓強(qiáng)數(shù)據(jù)在該測(cè)點(diǎn)搜集結(jié)束后，移至下一測(cè)點(diǎn)，并返回至s41步驟操作；若所有測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)均已搜集完畢，則進(jìn)行s51步驟。

30、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案，s43步驟中，測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)遵循明渠水槽z軸、y軸與x軸的順序進(jìn)行，操作步驟如下：

31、步驟a，保持x軸與y軸坐標(biāo)不變，沿z軸方向等間距δz移動(dòng)水流脈動(dòng)壓力傳感器，直至z軸方向最大；

32、步驟b，保持x軸坐標(biāo)不變，沿y軸等間距δy移動(dòng)水流脈動(dòng)壓力傳感器到測(cè)點(diǎn)(x0,y0+δy,z0)，重復(fù)步驟步驟a，接著沿y軸等間距移動(dòng)水流脈動(dòng)壓力傳感器到測(cè)點(diǎn)(x0,y0+2δy,z0)，重復(fù)步驟a，直至y軸方向最大；

33、步驟c，保持y軸與z軸坐標(biāo)不變，沿x軸等間距δx移動(dòng)水流脈動(dòng)壓力傳感器到測(cè)點(diǎn)(x0+δx,y0,z0),先后重復(fù)步驟a與步驟b，接著沿x軸等間距移動(dòng)水流脈動(dòng)壓力傳感器到測(cè)點(diǎn)(x0+2δx,y0,z0),先后重復(fù)步驟a與步驟b，直至x軸方向最大。

34、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案，s5步驟中，對(duì)搜集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，輸出挾沙水流紊動(dòng)強(qiáng)度的量化指標(biāo)，描述明渠水槽各方向的挾沙水流紊動(dòng)強(qiáng)度的變化情況，包括以下步驟：

35、s51步驟，按照水流脈動(dòng)壓力傳感器實(shí)測(cè)結(jié)果計(jì)算每個(gè)測(cè)點(diǎn)處的水流脈動(dòng)壓強(qiáng)值，水流脈動(dòng)壓強(qiáng)定義為水流的瞬時(shí)壓強(qiáng)pi與其時(shí)均壓強(qiáng)之差，通過(guò)計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)水流脈動(dòng)壓強(qiáng)值的均方根結(jié)果作為挾沙水流紊動(dòng)強(qiáng)度的量化指標(biāo)σp：

36、

37、式中，pi為[tstar，tend]時(shí)間段內(nèi)第i個(gè)時(shí)刻挾沙水流的瞬時(shí)壓強(qiáng)，m為該時(shí)間段內(nèi)瞬時(shí)壓強(qiáng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，tstar和tend表示測(cè)量采樣的起止時(shí)間；

38、s52步驟，基于s51步驟的計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)并輸出挾沙水流沿明渠水槽垂線、橫向與縱向的挾沙水流紊動(dòng)強(qiáng)度變化情況：

39、在明渠水槽垂線上，取具有相同x軸與y軸坐標(biāo)所有測(cè)點(diǎn)的挾沙水流紊動(dòng)強(qiáng)度均值描述該點(diǎn)沿z軸方向的挾沙水流紊動(dòng)強(qiáng)度的變化；

40、在明渠水槽橫向上，取具有相同x軸與z軸坐標(biāo)所有測(cè)點(diǎn)挾沙水流紊動(dòng)強(qiáng)度均值，描述明渠水槽中該點(diǎn)沿y軸方向的挾沙水流紊動(dòng)強(qiáng)度的變化；

41、在明渠水槽縱向上，取具有相同z軸與y軸坐標(biāo)所有測(cè)點(diǎn)的挾沙水流紊動(dòng)強(qiáng)度均值描述明渠水槽中該點(diǎn)沿x軸方向的挾沙水流紊動(dòng)強(qiáng)度的變化。

42、一種應(yīng)用于泥沙環(huán)境下的挾沙水流紊動(dòng)強(qiáng)度量測(cè)方法的模型，所述模型包括：

43、水流控制系統(tǒng)，包括渾水?dāng)嚢璩?、中控室、渾水進(jìn)水管、前池、穩(wěn)水格柵、尾門、渾水退水管以及明渠水槽；其中，

44、渾水?dāng)嚢璩匚挥诿髑鄣囊粋?cè)，明渠水槽的前部區(qū)域設(shè)置有穩(wěn)水格柵，穩(wěn)水格柵與明渠水槽的前端側(cè)壁之間圍合的區(qū)域?yàn)榍俺?，前池與渾水進(jìn)水管的一端連通，渾水進(jìn)水管的另一端與渾水?dāng)嚢璩剡B通，明渠水槽的尾部設(shè)置尾門，尾門與中控室建立開(kāi)合角度的控制連接，渾水退水管的兩端分別連通明渠水槽的尾部以及渾水?dāng)嚢璩兀?/p>

45、量測(cè)系統(tǒng)，包括含沙量測(cè)量器、移動(dòng)測(cè)橋、溫度傳感器、水位計(jì)以及水流脈動(dòng)壓力傳感器；其中，

46、含沙量測(cè)量器設(shè)置于渾水?dāng)嚢璩貎?nèi)以及明渠水槽的前部和尾部的槽體內(nèi)，移動(dòng)測(cè)橋設(shè)置在明渠水槽上方，并沿明渠水槽所在方向水平移動(dòng)，移動(dòng)測(cè)橋的下端部固定安裝水流脈動(dòng)壓力傳感器，明渠水槽的槽體內(nèi)側(cè)壁上等間距設(shè)置若干水位計(jì)，中部的內(nèi)側(cè)壁槽體上固定設(shè)置溫度傳感器。

47、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案，所述水流脈動(dòng)壓力傳感器與壓力變送器有線連接，壓力變送器與信號(hào)測(cè)試分析單元采用無(wú)線傳輸連接，所述溫度傳感器以及水位計(jì)通過(guò)無(wú)線通訊方式與信號(hào)接收器連接，信號(hào)接收器與數(shù)據(jù)采集單元建立有線連接。

48、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案，所述移動(dòng)測(cè)橋包括水平螺紋連桿、豎向螺紋連桿、轉(zhuǎn)動(dòng)手柄和旋轉(zhuǎn)螺桿，所述水平螺紋連桿上通過(guò)螺紋連接有移動(dòng)臺(tái)，所述移動(dòng)臺(tái)的一側(cè)臺(tái)體上螺紋連接所述豎向螺紋連桿，豎向螺紋連桿的上端插設(shè)所述旋轉(zhuǎn)螺桿，下端固定安裝所述水流脈動(dòng)壓力傳感器；所述水平螺紋連桿的兩端設(shè)置有軸承基座，所述軸承基座安裝于橋架上，水平螺紋連桿的一端穿過(guò)所述軸承基座后固定連接在所述轉(zhuǎn)動(dòng)手柄上，水平螺紋連桿的兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置有限位桿，所述限位桿貫穿通過(guò)所述移動(dòng)臺(tái)的臺(tái)體，其兩端固定在所述橋架上，移動(dòng)測(cè)橋的下部設(shè)置有滾輪，所述滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)安裝在所述橋架的下部，且滾動(dòng)設(shè)置在水槽軌道上，所述水槽軌道安裝于所述明渠水槽的上端面。

49、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明解決實(shí)驗(yàn)室高含沙與極細(xì)顆粒沙條件下的水流紊動(dòng)強(qiáng)度量測(cè)問(wèn)題，相較于傳統(tǒng)水流紊動(dòng)特性參數(shù)量測(cè)設(shè)備或方法，以脈動(dòng)壓強(qiáng)替換脈動(dòng)流速作為挾沙水流紊動(dòng)強(qiáng)度的量化指標(biāo)，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室條件下水流紊動(dòng)測(cè)量過(guò)程中低含沙量與粗顆粒泥沙的限制，采用量測(cè)系統(tǒng)對(duì)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化量測(cè)手段，在保證了量測(cè)效率與精度的同時(shí)，避免了人為干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，兼顧了模型的量測(cè)精度與效率，對(duì)于挾沙水流，尤其是高含沙水流的紊動(dòng)特性的物理模型試驗(yàn)研究具有較強(qiáng)的實(shí)用性。