第４７卷第１２期 甘肃水利水电技术 Ｖｏ１．４７．Ｎｏ．１２ ２０１１年１２月 Ｇａｎｓｕ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ａｎｄ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｃ．，２０１１ ・水文水资源・ 流速测量技术对比研究 鲁士诗士蜀 （正德职业技术学院，江苏南京２１１０００） 摘要：概述了水力学实验流速测量技术的原理和测量方式，分析了相应的优缺点及适用范围，对比了各种技术的实 验性能。对于复杂实验应采用多种技术相互配合，提高流场测量的完整性，ＰＩＶ实验时由于激光从水槽底部进入流 场，底部示踪粒子被玻璃散射光淹没，影响图像相关运行导致测量误差；ＬＤＶ采用差动式光路需要两束激光才能进 行流速测量，水槽底部实验垂直向激光被阻挡无法测量，上述情况下配合ＡＤＶ使用，即可提高实验精度，又能保证 实验完整性。 关键词：流速测量；技术研究；ＰＩＶ；ＬＤＶ；ＡＤＶ 中图分类号：Ｉ：＇３３２．４ 文献标识码：Ｂ 文章编号：２０９５—０１４４（２０１１）１２—０００６—０３ １ 引言 数据可靠性。 流速是确定水流运动特性的基本参量之一。其 ２流速测量仪器对比 既是理论分析的出发点。也是验证理论的标准［１】。水 ２．１ 原理及测量方式对比 力学实验中工况的确定、水流结构的分析、模型的验 常用的水力学实验流速测量仪器有：毕托管、微 证或工程方案的比选等都涉及流速的测量。只有精 型旋桨流速仪、热线热膜流速仪（ＨｏｔＷｉｒｅ，ＨｏｔＦｉｌｍ 确地测量流速，才能保证实验结果的可靠性。 Ａｎｅｍｏｍｅｔｒｙ，ＨＷＦＡ）、超声波多谱勒流速仪（Ａｃｏｕｓｔｉｃ 水力学实验主要分为水槽实验和物理模型实验 Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ，ＡＤＶ）、激光多谱勒流速仪（Ｌａｓｅｒ 两部分，水槽实验流速测量要求精度高及测量仪器 Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ／Ａｎｅｍｏｍｅｔｒｙ，ＬＤＶ／ＬＤＡ）、粒子图 对水流本身的干扰小：物理模型试验主要针对工程 像测速仪（Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｉｍａｇｅ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ，ＰＩＶ）等［２］。 研究，其具有研究对象尺寸大、测量点多等特点，要 流速测量方式根据测量的水流质点数分为单点 求测量仪器稳定可靠、操作简单、价格低。因此．只 测量和全场测量，根据仪器是否接触水流，又分为接 有详细了解各种流速测量仪器的原理、优缺点及适 触式测量和非接触式测量。表１对比了各种水力学 用范围，才能为试验配备正确的测量仪器，提高实验 实验流速测量技术的原理和测量方式。 表１ 各种水力学实验流速测量技术对比 ２．２ ＰＩＶ 流体散播跟随性好的示踪粒子，在强光的照射下，通 粒子图像测速技术的基础是流动显示，利用在 过图像记录装置获得包含粒子运动信息的图像，经 收稿日期：２０１１－１０—２６ 作者简介：鲁娟娟（１９８０一），女，浙江余姚，讲师，硕士，主要从事水利水电自动化控制教学与研克。 ・ ６ ・ 第１２期 鲁娟娟：流速测量技术对比研究 第４７卷 过图像处理得到粒子的速度信息，粒子的速度信息 即反映了对应流体质点的运动信息。为了得到比较 好的粒子图像．一般采用激光器作为光源。粒子图 像测速一般包含４部分：示踪粒子、光源及片光产生 系统、图像记录系统、图像后处理系统。 示踪粒子是图像测速技术的基础，流体的速度 正是通过测量示踪粒子的速度来获得的，示踪粒子 的跟随性直接影响到测量精度，对高质量的示踪粒 子有下面几个要求：比重尽可能与实验流体一致、足 流及边界层的测量。 类似的。旋桨流速仪也只能进行一维接触式测 量，干扰流体形态，不适合紊流和边界层的测量。其 特点是：所测流体速度较大时，测量精度较高；流体 速度较小时，误差较大。同时，流体具有的动能必须 使旋桨转动起来，否则无法测量，存在测量死区（流 速小于２．０ ｃｍ／ｓ无法测量）。旋桨在运行一段时间 后，转动轴等部位阻力发生变化，旋桨转速与流体速 度之间的转换关系也随之变化，需重新标定，否则误 够小的尺度、形状尽可能的圆、大小分布均匀、有足 差将增大。 够高的光散射效率、粒子的存在不干扰原来流体的 ＨＷＦＡ的优点是空间、时问分辨率高，背景噪 运动、粒子不易沉淀和污染流场。常见的示踪粒子 声低，能进行三维测量。但ＨＷＦＡ属于接触式测量， 有：花粉、聚苯乙烯、镀银空心玻璃球、荧光粒子、尼 对流场存在干扰和破坏，并且调试复杂，每次实验前 龙粒子、三氧化二铝、乳化空气泡。 都需标定敏感元件的传热系数，仪器运行一段时间 光源的用途是照亮流体中的示踪粒子，以便获 后，传热系数还会发生变化，需多次标定。此外，热线 得比较清晰的粒子图像。目前常用的光源有白炽灯、 和热膜对水质要求较高，水体中的泥沙等杂质会破 闪光灯和激光器等。在流动可视化领域内由于激光 坏敏感原件．因此ＨＷＦＡ在水力学实验中应用较少。 器的单色性能好．为多数研究者首选光源。 ＡＤＶ和ＬＤＶ均采用多谱勒效应进行速度测 图像记录系统由ＣＣＤ相机、图像采集卡和计算 量，时间、空间分辨率高，测量时无需率定，直接获得 机构成，虽然目前已有将ＣＣＤ相机和图像采集卡集 流速数据。对于ＡＤＶ。由于声波在空气和水流中传 成在一起，但是由于其价格比较昂贵。一般还是采用 播速度不相同。实验时需将发射和接收探头置于水 ＣＣＤ相机和图像采集卡相结合的方式。常规摄像机 流中，测量点位于发射探头下５ ｃｍ或１０ ｃｍ处。探 只能获得４０ ｓ或３３ ｓ内的速度信息，若想得到 头部分对水流流态仍有干扰，但对测量点的于扰较 更短时间内的流体瞬时速度，就必须采用高速摄像 小，因此ＡＤＶ属于相对的非接触式测量。ＬＤＶ发射 机或跨帧技术。 接收探头都不接触研究对象，属于完全的非接触测 采用传统相机记录的图像。需要对照片进行杨 量，不会干扰和破坏流场，测量精度高，测量范围大。 氏条纹法处理．要么用扫描仪将底片数据数字化后 ＬＤＶ系统比较复杂，使用不灵活，且价格比较昂贵。 录入计算机后再处理。杨氏条纹法的原理是以相关 上述流速仪都属于单点测量仪器。在研究水流 光源对单帧双曝光照片上的各子域进行照射．各子 结构等全流场特性时存在缺陷，而ＰＩＶ能进行全场 域内的粒子像点就象一个个点光源．当来自两粒子 瞬时测量，不干扰流场形态。ＰＩＶ通过测量流体中示 像的光波相遇时，就会形成一组干涉条纹，即杨氏条 踪粒子的速度来获得对应水流质点的速度，要求示 纹。只要确定出杨氏条纹的间距和方向．就求得了 踪粒子的跟随性能好，且流场中示踪粒子的分布浓 该子域内的平均流速。 度应适中，浓度过低或过高都影响相关系数峰值，降 图像相关处理包括自相关和互相关．自相关法 低测量精度；ＰＩＶ进行二维流速测量时，测量对象为 将２次曝光的粒子图像成像在一帧上。速度方向不 片光照射平面上的流场，由于片光具有一定厚度，测 能判别，存在速度方向二义性。互相关技术将流场 量结果实际是示踪粒子的三维运动在片光平面上的 将相应两帧流场图像分成多个网格。计算两帧图像 投影，存在一定误差；三维流速测量时，操作复杂，数 上对应网格的相关函数。得到相关函数的峰值即可 据可靠性有待提高，应用实验较少。 求得粒子的速度．互相关技术很好地解决了方向二 ３综合应用 义性。 各种流速仪都具有各自的优缺点，实验时应充 ２．３性能对比 分利用相应的优点，优化设计实验方案，综合应用各 毕托管原理简单、操作方便，是应用最为广泛、 种流速仪，互相补充以提高测量数据的可靠性和准 历史最悠久的流速测量仪器；但只能进行一维测量． 确性。 并且流速小于０．１ ｍ／ｓ时，测量误差较大。毕托管的 ＡＤＶ向下探头的测量点位于超声波发射探头 进口必须深入到测量点，干扰了流体形态，不适合紊 下５ ｃｍ（或者１０ ｃｍ）处，由于超声波在空气和水中 ・ ７ ・ ２０１１年第１２期 甘肃水利水电技术 第４７卷 传播速度不同，实验时应保证ＡＤＶ发射和接收探头 都位于水中，因此，采用ＡＤＶ向下探头实验时。工况 水深必须大于５ ｃｍ（或者１０ ｅｍ），且自水面向下的 ５ ｅｒａ（或者１０ ｅｍ）范围为测量盲区。此时可借助ＰＩＶ 补充测量。对于ＰＩＶ，水槽实验时，为减小水面波对 激光片光的影响，片光从水槽底部进入水体。受底部 当测量点位于水槽中心位置时，如图２（一）所 示，ＬＤＶ能完成垂向上的流速测量，当测量点位于 水槽底部时，由于采用两束光路差分的形式进行流 速测量，水槽底部将阻止其中一束光路进入水槽．此 时，ＬＤＶ将无法进行垂向流速测量。如图２（三）所 示，当测量点位予水面附近时，由于激光在水中存在 折射，两束光在水中和空气中经历的光路步不同。将 玻璃散射影响，水槽底面上２ ｍｍ范围内的示踪粒 子被散射光演没，无法进行底部流场测量，此时，可 采用ＡＤＶ进行底部测量。补偿ＰＩＶ测量时缺失的 导致两束光无法在焦距位置处相交，测量数据无意 义。上述情况下。ＬＤＶ都不能正常测量，为此需要采 流场。 用其他流速测量方式进行测量。类似ＡＤＶ使用缺 ＬＤＶ采用差动式光路进行流速测量．为完成单 点，可采用ＰＩＶ进行补充测量，以弥补ＬＤＶ测量盲 个方向的流速测量，需要利用两束光路，因此，三维 区。 流速测量需要６束光路。对于发射和接收一体化化 ４总结 探头，光路布置形式如图ｌ所示，光束１和２用于测 目前毕托管和ＨＷＦＡ在水力学实验中应用较 量水平面的流速．光束３用于测量垂直水平面方向 少，旋桨流速仪多应用于物理模型实验中，ＡＤＶ、 的流速。 ＬＤＶ和Ｐ１Ｖ多用于水槽实验中。任何一种流速仪都 不能满足所有水力学实验要求，没有万能的实验仪 器，只有充分利用其优点，根据现场实验条件，选择 正确的实验仪器．才能获得可靠的实验结果。 参考文献： ［Ｉ］华东水利学院．模型试验量测技术［Ｍ］．北京：水利电力出 版社，１９８４：１３—２５． 图１三维ＬＤＶ发射，接收一体化探头 ［２］唐洪武，唐立模，陈红，等．现代流动测试技术及应用 ［Ｍ］．北京：科学出版社，２００９：１６５—１７８． ［３］蔡守允，刘兆衡，张晓红，等，水利工程模型试验量测技 术［Ｍ］．北京：海洋出版社，２００８：１５ ２． ［４］Ｂｒｕｕｎ Ｈ．Ｈｏｔ—ｗｉｒｅ Ａｎｅｍｏｍｅｔｒｙ－Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ＳｉｇｎＭ Ａｎａｌｙ８ｉｓ．Ｏｘｆｏｒｄ：Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎ￣ｅｍｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ．１９９６：６８－１０５． ［５］陈红．实体模型表面流场、河势数字图像测试方法及应 图２测量点位于水槽步同位置 用研究［Ｄ］．南京：河海大学，２００５：１－１８． 欢迎订阅《人民黄河》 《人民黄河》创刊于１９４９年，由水利部黄河水利委员会主办，中文核心期刊，水利系统优秀科技期刊，中国期刊方阵“双效期 刊”，被国内９家权威文摘和数据库收录；内容涉及防洪、治河、水文、泥沙、水资源、水环境、水土保持、生态、灌溉、水利水电工程 等多学科，旨在及时报道治黄科技成果、开展学术交流，是全面反映黄河治理与开发成果的权威性技术刊物；可供水利水电及相 关专业的科技人员、高等院校师生，特别是治黄工作者及广大关心治黄的人士阅读参考。 《人民黄河》月刊，每月２Ｏ日出版。国际标准开本１６开，国内外公开发行，每期定价１０．０ｏ元、全年１２０．００元。国内统一刊号 ＣＮ４１—１１２８／Ｉ＇Ｖ。国际标准刊号ＩＳＳＮ１０００－－１３７９。国外发行：中国国际图书贸易总公司（北京３９９信箱，１０００４４，国外代号Ｍ７３８）。 《人民黄河》继续自办发行，国内订阅者请直接汇款、转账或交款至杂志社。发行相关信息、杂志所寄地址、订阅查询，可直接 发电子邮件至ｒｍｈｈ６＠１６３．ｃｏｒｎ。 信汇开户行：郑州交行政二街支行 开 户： 黄河水利委员会新闻宣传出版中心 账 号：４１１Ｏ６０２００ｏ１０１４９０２８８５２ 邮汇地址：郑州市金水路１１号《人民黄河》杂志社 邮 编：４５０００３ 联系人：朱宏 电 话： （０３７１）６６０２３３３１ ６６０２２９０２ ６６０２２４０９ ６６０２２０９６ 传 真：（０３７１）６６ｏ２３３３１ ・ ８ ・
