新型ADV流速仪在桥墩模型试验中的应用.docx

1、文章编号：l001-5485(2011)11-0104-06新型ADV流速仪在桥墩模型试验中的应用吴新生，韩向东，黄卫东,廖小永(长江科学院河流研究所，武汉430010)摘要:为了精确进行流速测景，对在建的马鞍山长江大桥桥墩概化水槽模型试验采用了新型声学多普勒流速仪(ADV)测量。通过开展桥墩模型试验，进行桥址断面概化和岸坡概化,重点观测桥墩附近水流变化及河床变形情况，了解桥墩周围河床的冲刷深度、冲刷范围,为工程设计和防护措施提供依据。研究表明：由于新型ADV测鼠范围大、速度快，可以测量瞬态流速、平均流速以及三维脉动流速分布，是一种测量精度高、功能全的流速测最仪器,在水流运动研究中将会得到越来

2、越广泛的应用。关键词:ADV流速仪;多普勒频移;紊动水流;桥墩模型中图分类号:TV149.3文献标识码:A河工模型试验中流速及流速分布测量是研究流体运动的主要特性参数，其测量方法与仪器的选用直接影响试验研究成果的深度。以往在研究桥墩方面的试验主要采用电阻式旋浆流速仪，由于它是一种接触式流速仪，对水流的干扰大、测流范围有限,且只能用于平均流速的测量，有较大的局限性。随着新型声学多普勒流速仪(AcousticDopplerVelocimeter,简称ADV)的发展与应用，模型试验的流速测量变得更为方便。新型ADV作为一种高科技产品的测流仪器，它的应用也标志着流速测量技术的进一步提升。本文根据新型A

3、DV的工作原理及性能，应用二维、三维ADV进行了马鞍山长江大桥桥墩河床变形与岸坡防护模型试验研究中的测信，对桥墩附近以及岸线垂线流速的实测资料进行分析,并介绍了应用过程中应注意的问题。1ADV测量原理ADV的测量原理是应用声波中的多普勒效应，即：当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的波频已发生改变，声波频率在声源移向观察者时变高、远离观察者时变低。如图1所示,声波发生器为一固定声源，随流体以相同速度运动的固体颗粒与声源作相对运动，该固体颗粒可把人射的声波反射回接收器。入射声波与反射声波之间的频率差就是流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移，其关系式为fKV/C)。(1)式中:九为多普勒频

4、移江为发射频率；V为运动粒子相对于接收探头的速度;C为声速。速度V是指改变运动粒子和接收探头之间距离的运动，垂直于运动粒子和接收探头之间连线的运动不会导致多普勒频移。如果运动粒子和接收探头之间的距离减少,则频率增加;如果运动粒子和接收探头之间的距离增加，则频率减少。Fig.1PrincipleofADVmeasurement一般所测的粒子速度和声速相比要小得多，则相应的多普勒频移就较小，因此，不能直接使用式(I)作为实用的测量方法。新型ADV采用脉冲相干处理技术，即发射探头发出2个时间滞后分离的脉冲，测量出每一个返回脉冲的相位,2个脉冲之间的相位差正比于水中粒子的速度，据此求出水中粒子的速度,

5、也就得出水流速度。采用脉冲相干处理技术保证了ADV的高精度测量。ADV的运行方式收稿日期：2011-03-08作者简介:吴新生(1954.),男，湖北武汉人，高级工程师，主要从事河匚模型扯测仪器研究工作，(电话电子信箱)m5888。采用双向分置式（见图1）,当发射探头发出一束已知频率的声音脉冲，并沿其声束轴传播通过采样体时，声音能量在所有方向上由水中的粒子（如泥沙颗粒、小生物体、气泡等）反射，反射的部分能量被接收探头接收，并且由信号调理部分测量出频率的变化，再经信号处理部分计算出水流的三维速度因此,ADV测量的实质就是采样体与发射探头的相对运动速度，传感器及采样体示

6、意图如图图2ADV传感器及采样体示意图Fig.2DiagramofADVsensorandsamplingbody据被测点位置选用，其中二维侧视探头可用于水深极浅情况（23cm）。新型ADV的数据采集软件WinADV可处理测量信号和各种流动参数，提供图形和表格形式的实时数据显示，包括3个方向的流速、信噪比、信号强度及相关系数，如图3所示。测量时试验人员可通过界面显示监控仪表工作和测母数据情况，自动保存的测量数据可方便地由Excel等专用软件进行后处理，并可在不中断正常实验及ADV运行的情况下调整速度的范围及相关系数值,从而保证方便、迅速校准ADV的性能。2仪器性能与特点ADV是一种非接触式、单

7、点的多普勒流速测量仪器，无定期校准要求,并具有如下特点:高精度测虽三向平均流和紊流流速;不干扰被测点流场;可测量mm/s量级的极慢流速;能对湍流参数作直接计算;因其参考基准是声速,故每次测量时无需标定;所测数据包括声学背散射强度,经过标定可用来确定水体中悬沙浓度。新型ADV按工作频率分为16MHz和10MHz2种传感器,适用于河工模型的平均流速、边界层流速、紊流（雷诺应力）及波浪谱测信。其主要性能指标数据见表1。三维ADV传感器由3个接收探头和1个发射探头组成,采样体位于探头下方5cm或10cm,这样可以基本上消除探头对被测流场的干扰。ADV探头有4种形式:三维俯视、侧视、仰视和二维侧视,根图

8、3ADV测量界面Fig.3InterfaceofADVmeasurement新型ADV在美国已成为水力及海洋实验室的标准流速测量仪器。新型ADV的umultiport即多通道ADV接线盒）内置微处理器，用一条同步线保证所有受控传感器的同步测最和数据获取，一台multiport可连接6台ADV传感器，而1台计算机可连接多台multiport,由此形成1个多点测流系统。此外，挪威生产的新型ADV探头集成了温度传感器、测深仪功能，增加了第4个声波接收传感器，可以测量水深,以提高测量湍流的性能。不仅方便试验人员了解河床的水深情况，当增加传感器的升降器设施时,水深数据还可以通过计算机来控制ADV传感器的

9、入水深度，自动测量垂线流速的分布。综上所述，由于ADV测量范围宽而又准确，并以极好的低速流动性能和快速的流速过程获得了认可，开始广泛应用于研究波浪轨迹、水体运动轨迹、桥桩周围水流扰动、水沙丧验测试、水力模型实验，型号工作频率/MHz采样频率/Hz采样.单元/cn?采样距离/.cm测速范围/（cm水平向垂而准确度分辨率/(cms,)MicroADV160.1-500.0950-3600-90所测流速的1%,0.01ADV100.1250.255或100-3600-90±0.25cm/s表1新型ADV主要性能指标Table1KeyperformanceindicatorsofnewADV

10、以至野外测量、水流扰动对渔业的影响等方面。3桥墩模型试验研究应用3.1试验内容与模型布置马鞍山长江公路大桥工程是一项重大涉水工程，在马鞍山河段江心洲下段横跨长江两岸及洲堤的堤防。工程问题包括桥梁工程的选址、桥墩型式的选取及跨度选择，桥墩冲刷和桥梁布置对河势和防洪的影响及适宜性等。为了预测河道的演变趋势及大桥建设对工程河段的影响程度，提出相应的对策措施，长江科学院开展了桥墩局部冲刷概化水槽模型试验。研究桥墩局部河床变形规律，通过桥址断面概化和岸坡概化，重点观测桥墩附近水流变化和河床变形悄况，了解桥墩周围河床的冲刷深度、冲刷范围，为工程设计和防护措施提供依据。马鞍山大桥左汉两边墩的承台标高7m,厚

11、6m,迎水面宽31.7m,顺水长69.2m,承台下迎水面中排桩，共48根桩。该大桥的左汉左边墩为本次水槽试验的主要参考对象。根据研究目的及马鞍山河段的河道特点，马鞍山长江大桥桥墩局部冲刷试验采用断面正态模型,模型几何比尺选定为100。桥墩局部冲刷试验在长30m、宽3m、高1m的水槽中进行，模型布置见图4所示。；呆水煨:了；'|:水池:水II渠横化岸坡匚-'I'rrn'rilirrrri,ri,iliirr前池;进尾口n图4马鼓山长江大桥桥墩局部模型示意图Fig.4LocalmodelofMa*anshanYangtzeRiverBridgePier3.2ADV测

12、量应用与数据分析3.2.1ADV测量应用要点桥墩概化水槽模型试验采用了美国的新型ADV流速仪，测量时将ADV探头固定在测架上，测架由精密机械丝杆及传动机构组成，以保证传感器探头精确定位。图5为ADV在马鞍山长江大桥桥散局部模型试验中的测量应用。当岸边水深较浅时采用二维侧视探头。有关测图5用ADV在桥墩局部模型上测量Fig.5ADVmeasurementforlocalpiermodel量参数的设置以及合理使用应注意以下3个方面。(1) ADV测速范围和信号强度：为保证测量精度，一般情况下测量设定的速度范围应大于试验中出现的最大流速。信号强度是测量探头接受超声波信号强度的尺度,ADV中的信号强度

13、是信号和噪音的比值，即用信噪比SNR来衡最。主要可以检验水中是否存在足够的介质来反射声波信号,如泥沙、杂质微粒等。如果水中粒子过少，返回的信号就会比周围的噪音还要小，达不到足够大的信号强度，所测得的数据肯定和实际相差很大。如果测量中SNR降低，也表明噪音很大，使ADV无法进行精确测鼠,影响测量数据的精确性。对于瞬时流速测鱼以25Hz频率采样,信噪比一般要求大于15dB；对于平均流速测量以0.5Hz采样，ADV可以在信噪比为5dB时正常工作。(2) 影响ADV测试精度的主要因素：由ADV测速原理可知，不同的声速会对多普勒频移产生影响。在水中，声速主要是温度和水的含盐度的函数,它们的变化将引起声速

14、的变化。如改变5T的温度，声速将改变1%;改变1.2%的含盐度，声速将改变1%。如果ADV使用的声速误差为1%,速度测锹结果的误差将会达2%。对于由声速变化而引起的速度测量误差可以在后处理中修正。通常模型试验用水为储蓄的自来水，基本无盐度变化，所以应主要注意由于试验厅内外水循环引起的温度变化。不同的采样频率和采样体高度对ADV测速也有影响，前者对平均流速的测量影响较小，而后者的不同所得结果的波动较大。为保证精度，一般ADV采样体高度采用9mm,采样频率采用25Hz。在测量过程中，我们观测到垂线水深小于5cm时，测量波形明显失真，当测点距边壁为3.5cm时，波形紊动强度更大，这主要是底部或边壁的

15、反射信号与控制体的信号混在一起，使噪声增加。当遇匕述2种情况时，测量应更换为二维侧视探头°当恢复正常测最水深时，若噪声干扰过大,应退出数据采集界面，重:新启动ADV进行采集。因为ADV每次启动时,软件系统会自动判别是否有边界的干扰而自动调节发射频率。ADV操作不当和信噪比太低都会降低ADV测试精度。(3)浑水浓度对测量:效果的影响：超声波传播的距离还与水中悬浮泥沙颗粒的含量(通常称为含沙量)有关，含沙量越大，超声波被吸收的声能就越多，也就会减小仪器的测量距离。由于含沙也仅仅是吸收超声波的声能只减弱信号强度，并不改变超声波的传播速度,所以并不影响超声波的测量精度。但是,过大的含沙量会影

16、响ADV的适用范围。有研究表明：当挟沙水流浓度达到15kg/m3时,ADV已不能确定测点的位置，对于高于这一含沙量浓度的水流就不再适宜采用ADV测量流速。但是，借助于超声波被泥沙吸收的声能的特性可以测定水流含沙量浓度。模型沙不同的种类、颗粒大小及级配对超声波的散射作用不同，因此，可以根据模型试验用沙,建立颗粒浓度与信号强度的标准关系曲线，经过标定来确定水体中悬沙浓度。ADV采集的是瞬时的信号强度，可得到瞬时的泥沙浓度分布以及紊动的过程曲线，这一点对研究泥沙的起动、悬浮、扩散及其紊动分析都有重要的意义。3.2.2试验分析与应用效果试验显示，桥墩周围的水流结构主要包括墩前向下水流、墩前冲击波和桥墩

17、周围水流场的旋涡体系,包括墩前冲刷坑边缘形成的绕桥墩内侧流向下游的马蹄形旋涡。它在墩前使向下流动的最大流速位置更靠近桥墩。墩两侧由于流速梯度产生的边界分离,形成立轴旋涡;向下游移动的尾流旋涡，不断地从桥墩两侧释放出来,促进冲刷过程的发展，像真空吸尘器一样，每个旋涡形成-个低压中心，牵动马蹄形漩涡区内的流体不断地进行横向、竖向和前后摆动，剧烈淘刷桥墩:迎水端和周围泥沙，形成局部冲刷坑O试验发现,桥墩附近的水流局部变形具有很明显的三维特点。平面水流经绕桥墩形成一般的形体绕流，在水流流向桥墩时，水流动能逐渐转化为势能,在桥墩上游形成驻点，水位有所壅高°但由于液体的不可压缩性，继续流来的质点

18、势必要改变原有的流向，脱离边界，向外侧流去，出现边界层分离。试验观测桥墩附近的水流结构图绘制如图6所示。在试验测量过程中，通过着色示踪剂(高锭酸钾)观测到以下现象:在施放85000,95000J02500m3/s3级特征流最时，水流受到桥墩头部的顶冲向两侧扩散，受到挤压的水流流速明显增大，水面涌波和水流紊动I分清晰,左侧绕流直接顶冲到桥址断面附近的岸坡，可以明显看到桥墩尾后部的回流区，但范围比小流量条件下的回流区略小，而用ADV进行流速跟踪测量的数据表明与上述现象极为相似,说明ADV的定量测段与定性的观测结果一致。图7为桥墩周围水流加着色示踪剂实拍图像，图6桥墩周围的水流结构示意图Fig.6S

19、chematicoftheflowaroundthepier图7桥墩周围水流实拍图像Fig.7Imageofflowaroundthepier试验中采用ADV二维、三维2种型号的传感器对设置的垂线流速测点施测时，还与旋浆流速仪的测晴结果进行了对比，表2列出了其中施放流量。=45000m3/s时桥墩周围几个特征点的流速值，表2桥墩周围特征点平均流速统计表Table2Theaveragevelocitiesatthefeaturepointsaroundthepier点号卜水深平均流速/(ms-)旋桨三维ADV二维ADV匕0.4H0.930.900.10-0.030.890.1120.6H0.70

20、0.67-0.010.000.67-0.020.8/0.480.490.040.000.470.030.4H0.880.820.030.050.870.0440.6/0.890.860.05-0.050.870.060.80.770.780.10-0.060.750.130.4W1.071.06-0.01-0.051.09-0.0260.6H1.061.070.01-0.071.040.030.80.910.870.12-0.060.880.11注：*方向下游为正，上游为负;y方向左岸为正，右岸为负;z方向铅在向下为正，铅汽向上为负;为模映相对水深。发现二者的测量结果具有很好的相似性，也再次论

21、证了ADV测量数据的可信度。从应用效果来看,ADV的测量优势是显而易见的，其测速数据采集速度要快得多，因此测量时间可大幅缩短。采用“时间-各向流速”数据来动态显示瞬时测量值，更有利于水流紊流状态和泥沙运动状态的分析。而旋浆流速仪受测量方式限制，只能测平均值，且3个方向的流速值不能同时测量获取。在测量范围方面,ADV可测到mm级极低流速值,而旋浆流速仪受旋浆转动最小起动值的限制，一般最小值只能测到I.5cm/s左右。另外，其流速值的差异分析，排除人为操作和外界干扰因素，ADV的准确度应比旋浆流速仪更符合实际水流运动状态,因为ADV不破坏被测点流场,其采样体体积比旋浆测量的也小得多，水流速度及素动

22、过程测量曲线清晰可见，可以在桥墩模型试验研究中取得更好的测试效果，如图8所示。150CX10001-Velocities(cnVs).100时间/$图8ADV测速过程曲线图Fig.8HistorycurvesofADVmeasurement应用中值得注意的是要根据仪器自身的工作原理与特点以及应用环境，合理地设置测量参数和正确的操作系统，尽量减小各种影响测量误差的因素。例如在水流平稳时，从自动保存的测量数据及紊动波形来看,有少数采样值是不合理的,其波峰数值远远大于均值范围。通过比照示踪观测可以看到，这是由于水流中的悬浮粒子团距接收探头过近造成强反射,或有气泡和噪声干扰所致。因此，整理分析原始测量

23、数据时应剔除不合理采样值。4结语本次试验研究表明，新型ADV流速仪能准确、快速、无干扰地测量三维流场,是一种测量精度高、性能好、功能多、操作简便，又特别实用的流速测域仪器。通过实践，我们有如下几点体会：(1)重视ADV测量应用条件，注意模型边界条件变化、环境温度和水温变化,以及环境噪声和测桥测架振动等多种因素的影响；为保证精度，应根据以上条件正确设置测量控制参数,ADV操作不当和信噪比太低都会影响ADV测量精度。(2) ADV的定量测量与定性的观测结果一致，同时，当采用二维、三维2种型号的传感器对设置的测点测量时，随机选择测点与采用旋浆流速仪时的测量结果进行对比,发现二者的测8：结果具有很好的

24、相似性,论证了ADV测量数据的可信度。(3) 对于非常复杂的桥墩周围的水流结构条件，包括墩前水面涌波、桥墩迎水面向下水流和尺度很大的紊流区，采用新型ADV流速仪成功测试了各测流区域，了解到桥墩周围的流场与桥墩周边的河床局部变形有密不可分的关系，桥墩周围的流场控制着局部冲刷模式，桥墩紊流是造成桥墩局部冲刷的重要因素，而局部冲刷的发展又反过来影响桥墩周围的水流结构。参考文献：1 田淳，刘少华.声学多普勒测流原理及其应用M.郑州：黄河水利出版社,2003.(TIANChun,IJShao-hua.PrincipleofAcousticDopplerFlowMeasurementandItsAppli

25、cationM.Zhengzhou:YellowRiverConservancyPress,2003.(inChinese)肖洋,唐洪武，毛野，等.新型声学多普勒流速仪及其应用JL河海大学学报,2002,(3)：15-18.(XIAOYang,TANGHong-wu,MAOYe,etal.NewA-coustic-DopplerVelocimeter(ADV)andItsApplicationJ.JournalofHohaiUniversity,2002,(3)：15-18.(inChinese)林鹏，陈立.MicroADV及其在挟沙水流中应用的研究C第四届全国泥沙基本理论研究学术讨论会文集.

26、成都：四川大学出版社,2000.(LINPeng,CHENLi.MicroADVandItsApplicationintheSedimentHowStudyC/ProceedingsoftheFourthNationalSymposiumontheBasicTheoryofSediment.Chengdu:SichuanUniversityPress,2000.(inChinese)2 黄卫东，廖小永，矣新生，等.马鞍山长江大桥近岸桥墩河床变形与岸坡防护标准研究水槽模型试验R.武汉：长江科学院,2010.(HUANGWei-dong,LIAOXi-ao-yong,WUXin-sheng,eta

27、l.StudyonStandardsofRiverbedDeformationandBankSlopeProtectionNearMa'anshanYangtzeRiverBridgePierbyModelTestTankR.Wuhan:YangtzeRiverScientificResearchInstitute,2010.(inChinese)(编辑:周晓雁)ApplicationofAcousticDopplerVelocimeter(ADV)inBridgePierModelTestWUXin-sheng,HANXiang-dong,HUANGWei-dong,LIAOXiao

28、-yong(RiverDepartment,YangtzeRiverScientificResearchInstitute,Wuhan430010,China)Abstract:AnewtypeofAcousticDopplerVelocimeter(ADV)wasappliedtomeasuretheflowrateaccuratelyina,lgeneralizedpiermodeltesttankfortheMa*anshanYangtzeRiverBridgewhichisunderconstruction.Thebridgesitesectionandbankslopeweregen

29、eralizedthroughthemodeltest.Focusedonchangesinwaterflowobservednearthepiersaswellasonthebeddeformation,thetestwastoobtainthedepthandthescopeofriverbederosionaroundthepier,andtherebyprovidingbasisforprotectivemeasuresandengineeringdesign.ItwasmanifestedthatADVcouldmeasurethedistributionsofinstantaneo

30、usvelocity,averagevelocityandthree-dimensionalfluctuatingvelocityasitmeasuredrapidlyinwidescope.Itisafull-featuredflowmeasuringinstrumentofhighaccuracy,andwillbemorewidelyusedinthestudyofwatermovement.Keywords:AcousticDopplerVelocimeter(ADV)；Dopplershift；pulsecoherentprocessingturbulentflow；piermode

31、l分公行公公公分公公公公公公公行会公会分分恐公公公分公公公会分公公公公会公公公公公公公公益公公0公分公公会右公公公a公公公分00公公公公公公套会公公分公久公公公公六会公会公分公分分分(上接第99页)withmultiplestructuralmembers.Inthispaper,thegeometricmethodalgorithmtogenerateVoronoitessellationisimprovedonthebasisofVoronoitessellationtheory,andthelocationsofthepointsareoptimizedwithcentroidmetho

32、d.Programiscompiledbasedontheaboveoptimizationsandisverifiedbyseveralexamples.Thecalculationresultsshowthataseriesofpointswelldistributedinanarbitraryconvexpolygoncanbegeneratedquicklywiththesuggestedmethod,whichthuscouldbeappliedinthree-dimensionalhighorderDDAanalysiseasily.Keywords:highorderDDA；generationofjunctionpairs；Voronoitessellation；geometricmethod；centroidmethod公分公公公急公公a公公公会会a公公aa公会会公会公会会公0公公会公公公0公公公行会公公公aa公公会公会公分分会会公会会公益公公分会公公公公公公公恐会公行会公公公六公会分公分分分会,会恐(上接第103页)CalculationandAn