[发明专利]一种水力模型泡漩或漩涡流测量系统及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及水利工程及水力学研究模型试验领域，具体是一种水力模型泡漩或漩涡流测量系统及测量方法。

背景技术

在水力模型(水工、河工、港工模型)试验研究中，对泡漩水和漩涡流的观测，是研究其水流流态形成机理和治理方法，以及船舶安全航行的一个重要内容。其中，泡漩是波浪翻滚并有漩涡的水流，漩涡是水流遇低洼处所激成的螺旋形水涡，泡漩水或漩涡流是河流主要碍航滩险之一，对船舶安全航行威胁极大，当船舶行驶至泡漩水或漩涡区域时将引起颠簸，造成驾驶困难，对于船队可能会发生碰撞，或造成歪船、严重时使船舶翻倾沉没，水流泡漩或漩涡流直接影响船舶航运安全。

泡漩水与漩涡流形成的必然条件是水流动能与位能之间发生转换，水流之间发生这种能量转换又需要一定的边界条件和水力条件。为了获得这些参数和采取工程措施，水力工程模型试验检测泡漩水或漩涡流的特征一般是指：(1)泡漩与漩涡流的涌起高度或漩下深度(即波动量)；(2)泡漩的周期或水面的波动频率；(3)泡漩水与漩涡流出现的区域范围。检测到的以上特征供有关研究与工程设计和工程治理参考。

以往在模型上最原始的观测是人工目测观察记录，没有测量泡漩水的专用仪器，更没有针对泡漩水参数测量的专用系统，后来有采用不同类型流速仪的测量方式，但不能反映泡漩的多参数特性。由于泡漩水流变化迅速，没有快速测量的设备同步检测泡漩的波动高度和周期，以及发生的范围与流场强度，给模型试验研究带来难题。

发明内容

本发明提供一种水力模型泡漩或漩涡流测量系统及测量方法，其通过阻抗式变换器与摄影图像技术相结合，能快速、多点测量泡漩水与大面积漩涡流水流流态，实现测量参数与动态图像的自动同步显示、记录和存储，解决了现有技术不能同时获取泡漩水强度、流速流态产生的区域范围等测量参数的难题。

一种水力模型泡漩或漩涡流测量系统，包括多个泡漩水传感器、与各个漩水传感器对应连接的信号处理电路、A/D转换卡、计算机、多个CCD摄像机、图像采集卡，每一信号处理电路通过A/D转换卡与计算机连接，每一CCD摄像机通过图像采集卡与计算机连接，所述泡漩水传感器的波高传感元件采用阻抗变换器，测量时放置于水流中一定深度；所述CCD摄像机布置在河道水流上方。

如上所述的水力模型泡漩或漩涡流测量系统，所述泡漩水传感器包括依次连接的多谐振荡器、功率放大器、耦合变压器、阻抗变换器，所述信号处理电路包括依次连接的水温/水质补偿平衡电路、差动电路、相敏检波器、光电隔离模块，其中耦合变压器的两个次级绕组分别水温/水质补偿平衡电路和阻抗变换器连接，水温/水质补偿平衡电路和阻抗变换器的输出端分别与差动电路的两个输入端连接。

一种用于上述水力模型泡漩或漩涡流测量系统的测量方法，通过计算机中安装的系统测控软件来实现，包括如下步骤：

步骤一、将各泡漩水传感器在模型CAD平面布置图上的X/Y坐标输入计算机；

步骤二、启动计时器开始绘制水流波动-时间过程曲线：计算机从A/D转换卡接收水流波动数字信号，所述水流波动数字信号由A/D转换卡将泡漩水传感器测到的水流波动模拟信号转换而成，接着计算机点绘水流波动-时间过程曲线；

步骤三、启动泡漩水流范围分析：计算机将CCD摄像机拍摄的流场图像模拟量转换为数字量，然后根据已有泡漩水传感器分布数据和拍摄的流场图像标识泡漩水范围以及漩涡流表面流场范围；

步骤四、启动漩涡表面流速分析，具体步骤如下：将示踪粒子或碎纸片撒入流体之中；计算机通过CCD摄像机获取第一个时刻的CCD图像；计算机通过CCD摄像机获取下一个时刻的CCD图像；计算机对以上两个图像进行流动图像数据处理后配对粒子位移；对离散数据拟合出流场矢量数据；根据所述流场矢量数据画出该时刻的流场图。

本发明将电子测量技术与摄影技术以及计算机技术有机结合，为水力学物理模型试验研究测量水流泡漩与漩涡流提供了一种新的测量方法与测量系统，并且大大提高试验自动化和工作效率，有利于提升水力学物理模型试验研究水平。

附图说明

图1是本发明水力模型泡漩或漩涡流测量系统的结构框图；

图2是本发明水力模型泡漩或漩涡流测量系统的电路原理框图；

图3是使用本发明测得的水流波动-时间过程曲线(即泡漩波高图)；

图4-1是模型平面布置及泡漩表面流场范围图；

图4-2是模型泡漩表面流场局部放大图；

图5是本发明水力模型泡漩或漩涡流测量方法的流程框图。