旋桨流速仪对大型潮流泥沙模型信息获取的研究

旋桨流速仪对大型潮流泥沙模型信息获取的研究

表面流场实时测量系统是光学技术在模型试验领域的另一个新品种应用，为模型试验提供了一种新的测量方法。借助该系统,科研人员可以对流态复杂的模型试验中的表面流场进行实时测量,快速准确获取整个模型范围整个试验时段内的流场、断面流速分布以及自定义测点的流速矢量变化过程。这不但使原先大量无法采用的模型试验信息得到了有效记录,同时也使潮流泥沙模型试验中的测速技术发展向前又大大迈进了一步。1流量检测的基本原则1.1粒子跟踪：ptv、velocime研磨VDMS是基于粒子图像测速PIV(ParticleImageVelocimetry)技术中的粒子跟踪测速PTV(ParticleTrackingVelocimetry)技术研制开发的测速系统。该系统的硬件部分主要由多个CCD摄像机、视频传输线、视频同步器、图像采集卡和装有VDMS测速系统的计算机组成。1.2图像的二值化VDMS测速系统的核心是数字图像处理。VDMS测速系统将一幅数字图像理解为一个存储着像素点的灰度值二维矩阵,进而依据事先给定的灰度阈值将数字图像二值化,从而有效地从数字图像中分割出示踪粒子所在的点位(图像分割后粒子图像所在点像素取值为1,背景像素点像素值则取0)。为了测定模型水流速度,CCD摄像机必须拍摄一定的运动图像系列,在采用上述粒子图像识别技术完成图像系列的粒子图像识别后,还必须在连续帧之间进行粒子匹配,最终得到粒子的运动轨迹,进而根据粒子在时间dt内的位移s得到粒子的运动速度V。这样根据粒子运动速度就近似得到了水流的运动速度,实现了表面流场实时测量。2模型试验中vds的应用2.1运行模型及模型浙江三门核电厂拟建于三门湾南岸的猫头山嘴头部娘娘田岗周周。厂区附近水域流态复杂。湾内围涂以及电厂取排水口工程建设等人类活动必然会对三门湾内相关水域的水流泥沙环境造成一定的影响。受三门核电厂筹建处委托,浙江省水利河口研究院开展了三门核电厂潮流泥沙物理模型试验,重点研究了电厂围堤以及电厂码头、取排水口工程实施后对电厂取水口所处的大小深潭可能产生的不利影响。本文就该试验所取得的一些成果作一介绍。三门核电厂潮流泥沙物理模型试验模型上边界设在蛇蟠洋水道和部分沥洋港水道,下边界设在猫儿屿～下万山,宽度约7.0km。上下边界之间总长度约10.0km。模型范围包含了猫头山水道及大小深潭和电厂各水工建筑物,模拟海域总面积约65km2。为准确把握试验区域水流流态,同时考虑经费的问题,故本次试验主要在电厂涉水工程所在区域安装镜头12个,安装高度为6m,镜头覆盖模型面积约76m2,相当原型面积6km2(见图1)。2.2人工判读流场型流速系统由于VDMS系统在本院的生产实践中尚属首次应用,同时国内目前也尚无该系统在大型模型试验中的应用实例和应用成果介绍,为检验VDMS系统的可靠性,作者分别用旋桨流速仪和VDMS测流系统进行了对比试验,试验时将旋浆流速仪固定在水位跟踪架上以确保正确测量水体表层流速。图2给出了模型NO6#验证点的中潮期2种不同测量手段得到的流速过程的对比图;图3为该点对应时段内人工判读与VDMS测速系统得到的流向过程对比图。其中人工判读流向采取在模型底板上画罗盘,并将布置在该点位的跟踪测杆头部挂上小线,观察小线随水流在水面的摆动方向的方法记录流向过程。由图2、图3可见,VDMS表面流场测速系统所测的流速过程与旋浆流速仪所测的流速过程尽管在数值上存在一定差异,但其趋势基本一致。根据分析,该点位2种测量方式得到的涨潮平均流速相对误差为4.6%,落潮平均流速相对误差为1.1%。从目前仪器设备的精度来看,VDMS表面流场测速系统所测的流速过程已基本能反映流场的真实情况,成果可信。同时从人工判读得到的流向过程和VDMS表面流场测速系统所测的流向过程比较可知,VDMS表面流场测速系统所测的流向过程在同一个涨或落潮过程中,流向存在一定的变化幅度,而人工判读所得的流向过程似乎更为平顺些,但2种手段得到的流向过程基本一致,绝对误差多小于10°。图4、图5为VDMS表面流场测速系统在试验过程中记录的厂址附近水域大潮期涨、落急流矢图,其反映了电厂所在的猫头山嘴及其南、北侧海域涨落急时刻的流场概貌。由图可知,电厂附近水域近岸流路为涨急时刻水流由南到北向聚集绕过猫头山嘴而后扩散;落急水流顺着北岸绕过猫头山嘴在其头部形成一个局部小范围的顺时针回流,然后向南滩地扩散。上述表面流场测速系统应用成果表明,VDMS测速系统可以有效获取潮流泥沙物理模型试验中流场信息(包括流速、流向),这有助于科研人员对整个试验范围内流场合理性的把握。3vds型分布回射机控制系统从点的流速速度出现,以颗粒抛撒为(1)在潮流物理模型试验的流速较大的情况下,2种方法得到的测量成果基本一致,但VDMS测速系统可以获得较旋桨式流速仪测流得到更多的信息,利用VDMS测流可以快速准确地获取整个试验范围的流场,断面流速分布以及自定义测点的流速矢量变化过程,该系统使流体测速向自动化方向发展向前又大大迈进了一步。(2)在潮流物理模型试验的小流速条件和转流期,传统的旋桨式流速仪由于受旋转部件(发讯部件的载体)驱动机制的限制,及旋转部件不完整的频繁摆动,常导致不可靠流速值的出现。VDMS测速系统因其直接采用光学技术,测流部件不受水流干扰,在小流速水流流速测量时具有相当的优势。但VDMS测速系统在使用时对作为测速依据的粒子的抛洒具有一定要求。为了尽量减小粒子抛洒对VDMS测速范围水流干扰,粒子抛洒人员一般要求在VDMS测速范围上下游2～3m以外。但由于粒子在随水流的运动过程中并不能保持均匀分布,因此在VDMS测速范围较近处也应安排人员及时补充粒子,以确保粒子能均匀遍布测速范围。4潮型验证试验本文简要介绍了VDMS测流系统的基本构成和基本原理,并利用旋桨式流速仪和VDMS测流系统,对三门核电厂潮流泥沙物理模型试验中的大、中、小3种潮型中有关验证点位的流速、流向过程的量测进行了对比试验。试验表明,VD