聲學(xué)多普勒流速儀在水槽流速測(cè)量中的應(yīng)用

嚴(yán) 松， 吳 浩， 孫大鵬， 唐 蔚

(大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116023)

聲學(xué)多普勒流速儀在水槽流速測(cè)量中的應(yīng)用

嚴(yán) 松， 吳 浩， 孫大鵬， 唐 蔚

(大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116023)

針對(duì)聲學(xué)多普勒流速儀(ADV)運(yùn)用于清澈水質(zhì)的水流中精度較低的問(wèn)題，采用了一種向清澈水流中摻混適量懸浮顆粒物的方法顯著提高ADV的測(cè)量精度。通過(guò)對(duì)比摻混懸浮顆粒物與清澈水質(zhì)中ADV的流速測(cè)量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)摻混適量懸浮顆粒物后，流速測(cè)量數(shù)據(jù)明顯更穩(wěn)定，符合水槽流場(chǎng)的實(shí)際情況。給出了懸浮顆粒物的推薦含量為106 g/m3。采用該方法，在水槽中沿垂向布置10個(gè)流速測(cè)點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整水泵變頻器頻率來(lái)改變流速，測(cè)量了不同流速時(shí)的水槽斷面垂向流速分布。發(fā)現(xiàn)流速沿垂向分布不均勻，呈線性剪切流分布。水槽出流口的布置方式和水槽壁面及底面摩阻是產(chǎn)生斷面流速沿垂向分布不均勻性的原因。最后，通過(guò)最小二乘法擬合給出了水泵變頻器的頻率與斷面平均流速的線性關(guān)系。

聲學(xué)多普勒流速儀； 懸浮顆粒物； 流速; 垂向分布

0 引 言

流速是水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中的一個(gè)基本參數(shù)，流速的大小及流速分布是確定其他試驗(yàn)條件和試驗(yàn)設(shè)計(jì)的重要因素。因此，測(cè)量和研究水流流速具有十分重要的意義。長(zhǎng)期以來(lái)，許多學(xué)者對(duì)水流流速的分布開(kāi)展了大量的研究工作，如嚴(yán)軍等[1-3]對(duì)水流流速進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，建立了流速沿垂線的分布公式。

近年來(lái)，流速測(cè)量技術(shù)迅猛發(fā)展，國(guó)內(nèi)外測(cè)量水流流速的儀器也越來(lái)越多，如畢托管、旋槳流速儀、超聲多普勒流速儀(Acoustic Doppler Velocimetry, ADV)、激光多普勒流速儀(Laser Doppler Velocimetry, LDV)、粒子圖像測(cè)速儀(Particle Image Velocimetry, PIV)等[4-7]。其中ADV由于操作方便、對(duì)流場(chǎng)干擾小、數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、精度高和三維測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，成為了主要的測(cè)量手段[8-10]，如華明等[11-12]在實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)用ADV測(cè)量了瞬時(shí)流速的變化，葉小云等[13-15]運(yùn)用ADV測(cè)量水流的流速分布，研究了紊動(dòng)強(qiáng)度沿垂線的分布。雖然ADV在水槽試驗(yàn)中應(yīng)用較多，但也存在缺點(diǎn)，其探頭發(fā)射的超聲波特別依賴水中懸浮顆粒的反射作用，在清澈水質(zhì)的水流中測(cè)量困難，誤差很大[10]。

本文采用一種向清澈水質(zhì)的水流中摻混適量懸浮顆粒的辦法，提高了ADV的測(cè)量精度。運(yùn)用該方法準(zhǔn)確測(cè)量了不同流速下試驗(yàn)水槽的垂向流速分布，分析探討了水槽的結(jié)構(gòu)對(duì)垂向流速分布的影響，并且通過(guò)最小二乘法擬合得到了斷面平均流速和水泵變頻器頻率的線性關(guān)系。

1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的波流水槽中進(jìn)行，水槽(長(zhǎng)×寬×深)22.0 m×0.45 m×0.60 m，水槽底面和壁面均為光滑玻璃，試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)用水為純凈自來(lái)水，水深為0.55 m。采用變頻器控制水泵造流，水泵轉(zhuǎn)速通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器頻率來(lái)控制，從而調(diào)節(jié)水流流速，變頻器的變頻范圍為0～50 Hz。

圖1 試驗(yàn)裝置(m)

為了增大水流流速，在水槽的試驗(yàn)段安裝導(dǎo)流箱，將過(guò)流斷面的寬度縮窄至0.25 m，試驗(yàn)中可獲得的最高流速為0.3 m/s，如圖2所示。

為了降低湍流度，提高流場(chǎng)的穩(wěn)定性，在水流出口處安裝穩(wěn)流格柵，并在水流出口與試驗(yàn)段之間安裝了格柵型穩(wěn)流器，如圖3和圖4所示。

圖2 導(dǎo)流箱

2 測(cè)量?jī)x器

本試驗(yàn)選用Nortek公司生產(chǎn)的“小威龍”聲學(xué)多普勒流速儀測(cè)量流速，該流速儀的性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 “小威龍”聲學(xué)多普勒流速儀性能指標(biāo)

采用ADV測(cè)量流速時(shí)，自水面向下5 cm范圍為測(cè)試盲區(qū)。本試驗(yàn)測(cè)量自水面以下5 cm至水底以上5 cm之間共45 cm范圍內(nèi)的流速。ADV的探頭固定在標(biāo)有刻度的升降桿上，通過(guò)調(diào)節(jié)升降桿的高度來(lái)改變探頭的入水深度，流速儀及升降桿如圖5所示。

ADV測(cè)速技術(shù)以聲學(xué)多普勒效應(yīng)原理為基礎(chǔ)，超聲信號(hào)發(fā)射探頭發(fā)出的超聲信號(hào)，經(jīng)由水流中的顆粒物發(fā)生散射，散射信號(hào)被接收探頭所接收，最后由電子儀器來(lái)度量頻率的變化，從而計(jì)算出采樣體積中的三維水流速度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的三維流速分布測(cè)量。在利用ADV測(cè)量水流流速的過(guò)程中，需要水流中有適宜濃度的顆粒物對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行散射。當(dāng)顆粒物的濃度較低時(shí)，接收信號(hào)的聲強(qiáng)隨粒子濃度的增加而增大；而當(dāng)顆粒物濃度較大時(shí)，超聲波信號(hào)沿程衰減起主導(dǎo)作用，接收信號(hào)的聲強(qiáng)將隨顆粒物濃度的增加而減小。因此，超聲多普勒流速儀測(cè)量水流流速的精度與水流中懸浮顆粒物的濃度有直接的關(guān)系。

3 流速測(cè)量方法改進(jìn)

3.1 懸浮顆粒物

本試驗(yàn)采用自來(lái)水，水質(zhì)清澈，水槽內(nèi)壁干凈，水流中的懸浮顆粒極少。采用ADV進(jìn)行流速測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，在不同流速下測(cè)量信號(hào)均不穩(wěn)定，噪音干擾非常顯著，調(diào)整各項(xiàng)設(shè)置參數(shù)并無(wú)改善。結(jié)合ADV測(cè)速原理分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致此次測(cè)量誤差較大的原因是水流中缺少足夠的懸浮顆粒物對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行散射。因此，本試驗(yàn)采用向水流中摻混懸浮顆粒物的方法，解決超聲波散射信號(hào)弱的問(wèn)題，提高ADV的測(cè)量精度。

本試驗(yàn)選用的顆粒物為聚氯乙烯樹(shù)脂粉，其外觀為白色無(wú)定形粉末，不溶于水，粒徑為60～250 μm，表觀密度為0.40～0.60 g/mL。聚氯乙烯樹(shù)脂顆粒是多孔的，顆粒內(nèi)部平均疏松度高于1.0×10-4m3/kg[16]。由于聚氯乙烯樹(shù)脂顆粒內(nèi)部空隙的存在，其真密度與水的密度接近。通過(guò)試驗(yàn)觀察，聚氯乙烯樹(shù)脂顆?？砷L(zhǎng)時(shí)間懸浮于水流中。摻混入水流中懸浮顆粒物的含量不僅影響流速測(cè)量精度，而且關(guān)系到試驗(yàn)材料成本。在試驗(yàn)中，通過(guò)逐漸增加顆粒物含量進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)顆粒物含量大于106 g/m3時(shí)，ADV測(cè)量信號(hào)收到干擾較小，再繼續(xù)增加顆粒物含量對(duì)測(cè)量精度改善不明顯。因此，對(duì)于本試驗(yàn)采用的懸浮顆粒物，推薦含量為106 g/m3。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

利用ADV分別測(cè)量了清澈水質(zhì)水流和摻混聚氯乙烯樹(shù)脂顆粒水流的流速，以驗(yàn)證上述方法可改善ADV的測(cè)量精度。試驗(yàn)中水泵轉(zhuǎn)速恒定，在出水口和試驗(yàn)段上游安裝格柵型穩(wěn)流器，造流開(kāi)始后等待15 min，以確保水槽中形成均勻穩(wěn)定的流場(chǎng)。兩種情況下流速隨時(shí)間變化的過(guò)程線如圖6所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，ADV測(cè)量清澈水質(zhì)水流的流速時(shí)測(cè)量信號(hào)很不穩(wěn)定，波動(dòng)幅度很大，噪音干擾顯著，這與水槽中流場(chǎng)的實(shí)際情況不符。向水中摻混適量懸浮顆粒物以后，ADV測(cè)量信號(hào)的穩(wěn)定性得到明顯改善，波動(dòng)幅度很小，噪音干擾被消除。

圖6 流速隨時(shí)間變化過(guò)程線

兩種情況下流速的統(tǒng)計(jì)參數(shù)如表2所示。其中，極差是流速的最大值與最小值之差，反映了測(cè)量信號(hào)的最大波動(dòng)范圍;方差是用來(lái)衡量測(cè)量信號(hào)相對(duì)平均值的離散程度。極差和方差越小，說(shuō)明測(cè)量信號(hào)的波動(dòng)越小，數(shù)據(jù)越穩(wěn)定。從表中可見(jiàn)，向清澈水質(zhì)水流中摻混懸浮顆粒后，流速的極差和方差均大幅度減小，說(shuō)明測(cè)量結(jié)果的波動(dòng)明顯減小，數(shù)據(jù)更穩(wěn)定，與水槽均勻流的實(shí)際情況相吻合。因此，在水流中摻混顆粒物的方法能夠減少ADV測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度。

表2 流速統(tǒng)計(jì)參數(shù)對(duì)比

4 水槽流速分布

4.1 試驗(yàn)設(shè)置

在水槽試驗(yàn)段沿垂向均勻布置10個(gè)測(cè)點(diǎn)，1#測(cè)點(diǎn)距水面0.05 m，10#測(cè)點(diǎn)距水底0.05 m，每2個(gè)相鄰測(cè)點(diǎn)之間的距離為0.05 m，如圖7所示。在流速開(kāi)始測(cè)量前，按照106 g/m3的含量向清澈水質(zhì)的水流中摻混聚氯乙烯粉末，使顆粒物均勻地懸浮在水流中。

圖7 測(cè)點(diǎn)分布(m)

水泵轉(zhuǎn)速通過(guò)調(diào)整變頻器的頻率來(lái)控制，從而調(diào)整水槽流速。變頻器頻率從10～43 Hz，間隔為3 Hz，共設(shè)置12組試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中分別測(cè)量各個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的垂向流速分布，調(diào)整變頻器頻率后，等待15 min后開(kāi)始下一組測(cè)量試驗(yàn)，以確保水槽中的流場(chǎng)均勻穩(wěn)定。在測(cè)量某一頻率下的垂向流速分布時(shí)，沿垂向滑動(dòng)升降桿來(lái)調(diào)節(jié)探頭的入水深度，從而對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的流速進(jìn)行測(cè)量。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

不同變頻器頻率對(duì)應(yīng)的流速沿垂線的分布結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出，水槽沿垂向分布各測(cè)點(diǎn)的流速均隨著水泵變頻器頻率的增加而增加。在同一變頻器頻率下，水槽沿垂向分布各測(cè)點(diǎn)的流速并不相同，而是呈現(xiàn)從水槽底部向頂部逐漸增大的趨勢(shì)。對(duì)各個(gè)變頻器頻率下沿垂向分布10個(gè)測(cè)點(diǎn)的流速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到與變頻器頻率相對(duì)應(yīng)的平均流速和方差，如表3所示。方差用于衡量某一變頻器頻率下垂向各測(cè)點(diǎn)流速偏離平均流速的大小，方差越大，說(shuō)明垂線上10個(gè)測(cè)點(diǎn)流速的差異越大，流速沿垂線分布越不均勻。

圖8 不同的變頻器頻率對(duì)應(yīng)的流速沿垂線分布

變頻器頻率/Hz平均流速/(m·s-1)方差/(cm2·s-2)100．0870．04130．1110．16160．1350．25190．1570．49220．1820．64250．2020．64280．2260．81310．2511．21340．2721．96370．2942．89400．3192．56430．3421．96

從表中可以看出，隨著變頻器頻率的增加，垂向上各個(gè)測(cè)點(diǎn)流速的方差明顯增加，說(shuō)明隨著頻率的增加，垂線上各點(diǎn)流速的差異更加顯著?？傮w而言，垂向流速分布接近于線性關(guān)系，形成剪切流分布形態(tài)，而當(dāng)平均流速較高時(shí)，靠近水槽底部的流速隨高度呈現(xiàn)一定的非線性變化。

造成垂向流速分布不均勻的原因與水槽的造流方式和結(jié)構(gòu)有關(guān)。在水槽出水口處，水流垂直于水槽底部向上流出，之后流向由豎直向上變成水平，導(dǎo)致在水槽出水口附近的流速呈現(xiàn)水槽頂部流速較大，底部流速較小的分布狀態(tài)，并且水泵轉(zhuǎn)速越大，水槽頂部流速與底部流速相差越大。此外，水槽頂部為流體的自由表面，而水槽底部為固壁邊界，存在壁面流動(dòng)摩阻影響，導(dǎo)致水槽底部流速小于頂部流速，而流體黏性作用使垂向流速分布趨向于剪切流。隨著平均流速的增加，底摩阻的影響更加顯著。

運(yùn)用最小二乘法對(duì)斷面平均流速與變頻器頻率進(jìn)行了線性擬合，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 86，擬合效果如圖9所示。

圖9 平均流速與變頻器頻率的線性關(guān)系

變頻器頻率f與流速v的關(guān)系式如下：

v=0.007 7f+0.011 3

可見(jiàn)，水槽平均流速與水泵變頻器的頻率之間具有很好的線性關(guān)系。在試驗(yàn)過(guò)程中，運(yùn)用平均流速與變頻器頻率的擬合公式，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的頻率可以精確地設(shè)定水槽的平均流速。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)ADV測(cè)量清澈水質(zhì)水流的流速時(shí)存在精度較低的問(wèn)題，本文采用向清澈水質(zhì)水流中摻混適量懸浮顆粒物的方法，顯著地提高了ADV的測(cè)量精度。本試驗(yàn)中，懸浮顆粒物的推薦含量為106 g/m3。采用該方法測(cè)量了不同流速時(shí)的水槽斷面垂向流速分布，發(fā)現(xiàn)垂向流速分布不均勻，呈線性剪切流分布。導(dǎo)致斷面流速沿垂向分布不均勻性的原因是受到水槽出流口的布置方式和水槽壁面及底面摩阻的影響。通過(guò)最小二乘法擬合，得到了水泵變頻器的頻率與斷面平均流速之間的良好線性關(guān)系。試驗(yàn)中，可運(yùn)用該線性關(guān)系式來(lái)指導(dǎo)流速的精確調(diào)節(jié)。文中提高ADV測(cè)量精度的方法，在水槽試驗(yàn)中具有普遍的適用性，可供相同類型試驗(yàn)借鑒。

[1] 嚴(yán) 軍，王二平，孫東坡，等. 矩形斷面明渠流速分布特性的試驗(yàn)研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2005(5): 59-64.

[2] 陳興偉，林木生，程年生，等. 粗糙透水床面明渠水流的垂線流速分布[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2013(6): 849-854.

[3] 王二平，金 輝，張艷艷，等. 矩形明渠流速分布特征及其在流量量測(cè)中的應(yīng)用[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2008(4): 25-28.

[4] 魯娟娟. 流速測(cè)量技術(shù)對(duì)比研究[J]. 甘肅水利水電技術(shù), 2011(12): 6-8.

[5] 文 華，朱玉琛，付 廣. 流速儀在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀[J]. 艦船防化, 2007(3): 43-45.

[6] 吳 嘉. 流速測(cè)量方法綜述及儀器的最新進(jìn)展[J]. 計(jì)測(cè)技術(shù), 2005(6): 1-4.

[7] 許聯(lián)鋒，陳 剛，李建中，等. 粒子圖像測(cè)速技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 力學(xué)進(jìn)展, 2003(4): 533-540.

[8] 黃 毅. 聲學(xué)多普勒測(cè)流儀原理及應(yīng)用[J]. 氣象水文海洋儀器, 2013(4): 119-121.

[9] 肖 洋，唐洪武，毛 野，等. 新型聲學(xué)多普勒流速儀及其應(yīng)用[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2002(3): 15-18.

[10] Snyder W H, Castro I P. Acoustic Doppler velocimeter evaluation in stratified towing tank[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1999, 125(6): 595-603.

[11] 華 明，唐洪武，王惠民，等. ADV技術(shù)測(cè)量圓射流流場(chǎng)紊動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)[J]. 水利水運(yùn)科學(xué)研究, 2000(3): 18-21.

[12] 陳 純，蔣昌波，程永舟，等. ADV在波浪邊界層流動(dòng)特性研究中的應(yīng)用[J]. 泥沙研究, 2008(5): 60-65.

[13] 葉小云，陳 立，王有生，等. 泥沙濃度與水流紊動(dòng)的試驗(yàn)研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2003(2): 10-14.

[14] Wang X Y, Yang Q Y, Lu W Z,etal. Experimental study of near-wall turbulent characteristics in an open-channel with gravel bed using an acoustic Doppler velocimeter[J]. Experiments in Fluids, 2012, 52(1): 85-94.

[15] 劉月琴，萬(wàn)艷春. 彎道水流紊動(dòng)強(qiáng)度[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2003(12): 89-93.

[16] 斯凡格林 P R，李隆岐. PVC樹(shù)脂的粉末性質(zhì)[J]. 聚氯乙烯, 1986(2): 60-65.

Application of Acoustic Doppler Velocimetry in Flume Flow Experiment

YANSong,WUHao,SUNDapeng,TANGWei

(State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023, Liaoning, China)

Aiming at the problem of the low accuracy of Acoustic Doppler Velocimetry (ADV) used in clear water flow, a method of mixing suspended particles into the clear water is presented to improve the accuracy of ADV. By comparing the measurement results of ADV in the water flow with mixed suspended particles and the clear water, it is observed that the flow velocity of the former situation is obviously more stable, the result meets with the actual stable uniform flow of the water flume. The suggested content of the suspended particles in this test is 106 g/m3. Ten velocity measuring points are arranged vertically in the water flume. The flow velocity is changed by adjusting the frequency of the converter of a pump. This method is used to measure the vertical distribution of the flow velocity of the water flume. It is observed that the flow velocity is not uniformed along the vertical direction, and is followed the linear shear flow distribution. The reasons for this uneven distribution are the arrangement of outflow port and the friction of the lateral and bottom walls of the water flume. Finally, the linearly relationship between the frequency of converter and mean vertical velocity is presented by the means of least square method.

acoustic Doppler velocimetry; suspended particles; flow velocity; vertical distribution

2016-08-29

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51409041)；遼寧省博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(20141024)

嚴(yán) 松(1990-)，男，湖北孝感人，碩士生，主要研究方向?yàn)槿嵝詧A柱管渦激振動(dòng)的試驗(yàn)研究。

Tel.:18340819403; E-mail:18340819403@163.com

吳 浩(1980-)，男，遼寧大連人，博士，工程師，主要從事海洋工程水動(dòng)力學(xué)研究。

Tel.:0411-84708520; E-mail:wuhao@dlut.edu.cn

TV 131.61

A

1006-7167(2017)05-0009-05