嚴 松， 吳 浩， 孫大鵬， 唐 蔚

(大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點實驗室， 遼寧 大連 116023)

聲學(xué)多普勒流速儀在水槽流速測量中的應(yīng)用

嚴 松， 吳 浩， 孫大鵬， 唐 蔚

(大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點實驗室， 遼寧 大連 116023)

針對聲學(xué)多普勒流速儀(ADV)運用于清澈水質(zhì)的水流中精度較低的問題，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的測量精度。通過對比摻混懸浮顆粒物與清澈水質(zhì)中ADV的流速測量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)摻混適量懸浮顆粒物后，流速測量數(shù)據(jù)明顯更穩(wěn)定，符合水槽流場的實際情況。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個流速測點，通過調(diào)整水泵變頻器頻率來改變流速，測量了不同流速時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

流速是水動力學(xué)試驗中的一個基本參數(shù)，流速的大小及流速分布是確定其他試驗條件和試驗設(shè)計的重要因素。因此，測量和研究水流流速具有十分重要的意義。長期以來，許多學(xué)者對水流流速的分布開展了大量的研究工作，如嚴軍等[1-3]對水流流速進行了系統(tǒng)的試驗研究，建立了流速沿垂線的分布公式。

近年來，流速測量技術(shù)迅猛發(fā)展，國內(nèi)外測量水流流速的儀器也越來越多，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)、粒子圖像測速儀(Particle Image Velocimetry, PIV)等[4-7]。其中ADV由于操作方便、對流場干擾小、數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、精度高和三維測量的優(yōu)勢，成為了主要的測量手段[8-10]，如華明等[11-12]在實驗室中運用ADV測量了瞬時流速的變化，葉小云等[13-15]運用ADV測量水流的流速分布，研究了紊動強度沿垂線的分布。雖然ADV在水槽試驗中應(yīng)用較多，但也存在缺點，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的測量精度。運用該方法準(zhǔn)確測量了不同流速下試驗水槽的垂向流速分布，分析探討了水槽的結(jié)構(gòu)對垂向流速分布的影響，并且通過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 試驗裝置

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

圖1 試驗裝置(m)

為了增大水流流速，在水槽的試驗段安裝導(dǎo)流箱，將過流斷面的寬度縮窄至0.25 m，試驗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 測量儀器

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

表1 “小威龍”聲學(xué)多普勒流速儀性能指標(biāo)

采用ADV測量流速時，自水面向下5 cm范圍為測試盲區(qū)。本試驗測量自水面以下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，通過調(diào)節(jié)升降桿的高度來改變探頭的入水深度，流速儀及升降桿如圖5所示。

ADV測速技術(shù)以聲學(xué)多普勒效應(yīng)原理為基礎(chǔ)，超聲信號發(fā)射探頭發(fā)出的超聲信號，經(jīng)由水流中的顆粒物發(fā)生散射，散射信號被接收探頭所接收，最后由電子儀器來度量頻率的變化，從而計算出采樣體積中的三維水流速度，實現(xiàn)實時的三維流速分布測量。在利用ADV測量水流流速的過程中，需要水流中有適宜濃度的顆粒物對超聲信號進行散射。當(dāng)顆粒物的濃度較低時，接收信號的聲強隨粒子濃度的增加而增大；而當(dāng)顆粒物濃度較大時，超聲波信號沿程衰減起主導(dǎo)作用，接收信號的聲強將隨顆粒物濃度的增加而減小。因此，超聲多普勒流速儀測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 流速測量方法改進

3.1 懸浮顆粒物

本試驗采用自來水，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進行流速測量時發(fā)現(xiàn)，在不同流速下測量信號均不穩(wěn)定，噪音干擾非常顯著，調(diào)整各項設(shè)置參數(shù)并無改善。結(jié)合ADV測速原理分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致此次測量誤差較大的原因是水流中缺少足夠的懸浮顆粒物對超聲波信號進行散射。因此，本試驗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弱的問題，提高ADV的測量精度。

本試驗選用的顆粒物為聚氯乙烯樹脂粉，其外觀為白色無定形粉末，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]。由于聚氯乙烯樹脂顆粒內(nèi)部空隙的存在，其真密度與水的密度接近。通過試驗觀察，聚氯乙烯樹脂顆?？砷L時間懸浮于水流中。摻混入水流中懸浮顆粒物的含量不僅影響流速測量精度，而且關(guān)系到試驗材料成本。在試驗中，通過逐漸增加顆粒物含量進行測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)顆粒物含量大于106 g/m3時，ADV測量信號收到干擾較小，再繼續(xù)增加顆粒物含量對測量精度改善不明顯。因此，對于本試驗采用的懸浮顆粒物，推薦含量為106 g/m3。

3.2 試驗驗證

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

圖6 流速隨時間變化過程線

兩種情況下流速的統(tǒng)計參數(shù)如表2所示。其中，極差是流速的最大值與最小值之差，反映了測量信號的最大波動范圍;方差是用來衡量測量信號相對平均值的離散程度。極差和方差越小，說明測量信號的波動越小，數(shù)據(jù)越穩(wěn)定。從表中可見，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，說明測量結(jié)果的波動明顯減小，數(shù)據(jù)更穩(wěn)定，與水槽均勻流的實際情況相吻合。因此，在水流中摻混顆粒物的方法能夠減少ADV測量誤差，提高測量精度。

表2 流速統(tǒng)計參數(shù)對比

4 水槽流速分布

4.1 試驗設(shè)置

在水槽試驗段沿垂向均勻布置10個測點，1#測點距水面0.05 m，10#測點距水底0.05 m，每2個相鄰測點之間的距離為0.05 m，如圖7所示。在流速開始測量前，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 測點分布(m)

水泵轉(zhuǎn)速通過調(diào)整變頻器的頻率來控制，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。試驗過程中分別測量各個頻率所對應(yīng)的垂向流速分布，調(diào)整變頻器頻率后，等待15 min后開始下一組測量試驗，以確保水槽中的流場均勻穩(wěn)定。在測量某一頻率下的垂向流速分布時，沿垂向滑動升降桿來調(diào)節(jié)探頭的入水深度，從而對各個測點的流速進行測量。

4.2 試驗結(jié)果

不同變頻器頻率對應(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點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點的流速并不相同，而是呈現(xiàn)從水槽底部向頂部逐漸增大的趨勢。對各個變頻器頻率下沿垂向分布10個測點的流速進行統(tǒng)計分析，得到與變頻器頻率相對應(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點流速偏離平均流速的大小，方差越大，說明垂線上10個測點流速的差異越大，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，垂向上各個測點流速的方差明顯增加，說明隨著頻率的增加，垂線上各點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，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。

運用最小二乘法對斷面平均流速與變頻器頻率進行了線性擬合，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，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。在試驗過程中，運用平均流速與變頻器頻率的擬合公式，通過調(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

針對ADV測量清澈水質(zhì)水流的流速時存在精度較低的問題，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的測量精度。本試驗中，懸浮顆粒物的推薦含量為106 g/m3。采用該方法測量了不同流速時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。試驗中，可運用該線性關(guān)系式來指導(dǎo)流速的精確調(diào)節(jié)。文中提高ADV測量精度的方法，在水槽試驗中具有普遍的適用性，可供相同類型試驗借鑒。

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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

國家自然科學(xué)基金項目(51409041)；遼寧省博士科研啟動基金項目(20141024)

嚴 松(1990-)，男，湖北孝感人，碩士生，主要研究方向為柔性圓柱管渦激振動的試驗研究。

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力學(xué)研究。

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

TV 131.61

A

1006-7167(2017)05-0009-05