新型ADV流速儀在橋墩模型試驗中的應用.docx

1、文章編號：l001-5485(2011)11-0104-06新型ADV流速儀在橋墩模型試驗中的應用吳新生，韓向東，黃衛(wèi)東,廖小永(長江科學院河流研究所，武漢430010)摘要:為了精確進行流速測景，對在建的馬鞍山長江大橋橋墩概化水槽模型試驗采用了新型聲學多普勒流速儀(ADV)測量。通過開展橋墩模型試驗，進行橋址斷面概化和岸坡概化,重點觀測橋墩附近水流變化及河床變形情況，了解橋墩周圍河床的沖刷深度、沖刷范圍,為工程設計和防護措施提供依據(jù)。研究表明：由于新型ADV測鼠范圍大、速度快，可以測量瞬態(tài)流速、平均流速以及三維脈動流速分布，是一種測量精度高、功能全的流速測最儀器,在水流運動研究中將會得到越來

2、越廣泛的應用。關(guān)鍵詞:ADV流速儀;多普勒頻移;紊動水流;橋墩模型中圖分類號:TV149.3文獻標識碼:A河工模型試驗中流速及流速分布測量是研究流體運動的主要特性參數(shù)，其測量方法與儀器的選用直接影響試驗研究成果的深度。以往在研究橋墩方面的試驗主要采用電阻式旋漿流速儀，由于它是一種接觸式流速儀，對水流的干擾大、測流范圍有限,且只能用于平均流速的測量，有較大的局限性。隨著新型聲學多普勒流速儀(AcousticDopplerVelocimeter,簡稱ADV)的發(fā)展與應用，模型試驗的流速測量變得更為方便。新型ADV作為一種高科技產(chǎn)品的測流儀器，它的應用也標志著流速測量技術(shù)的進一步提升。本文根據(jù)新型A

3、DV的工作原理及性能，應用二維、三維ADV進行了馬鞍山長江大橋橋墩河床變形與岸坡防護模型試驗研究中的測信，對橋墩附近以及岸線垂線流速的實測資料進行分析,并介紹了應用過程中應注意的問題。1ADV測量原理ADV的測量原理是應用聲波中的多普勒效應，即：當波源和觀察者有相對運動時，觀察者接收到的波頻已發(fā)生改變，聲波頻率在聲源移向觀察者時變高、遠離觀察者時變低。如圖1所示,聲波發(fā)生器為一固定聲源，隨流體以相同速度運動的固體顆粒與聲源作相對運動，該固體顆粒可把人射的聲波反射回接收器。入射聲波與反射聲波之間的頻率差就是流體中固體顆粒運動而產(chǎn)生的聲波多普勒頻移，其關(guān)系式為fKV/C)。(1)式中:九為多普勒頻

4、移江為發(fā)射頻率；V為運動粒子相對于接收探頭的速度;C為聲速。速度V是指改變運動粒子和接收探頭之間距離的運動，垂直于運動粒子和接收探頭之間連線的運動不會導致多普勒頻移。如果運動粒子和接收探頭之間的距離減少,則頻率增加;如果運動粒子和接收探頭之間的距離增加，則頻率減少。Fig.1PrincipleofADVmeasurement一般所測的粒子速度和聲速相比要小得多，則相應的多普勒頻移就較小，因此，不能直接使用式(I)作為實用的測量方法。新型ADV采用脈沖相干處理技術(shù)，即發(fā)射探頭發(fā)出2個時間滯后分離的脈沖，測量出每一個返回脈沖的相位,2個脈沖之間的相位差正比于水中粒子的速度，據(jù)此求出水中粒子的速度,

5、也就得出水流速度。采用脈沖相干處理技術(shù)保證了ADV的高精度測量。ADV的運行方式收稿日期：2011-03-08作者簡介:吳新生(1954.),男，湖北武漢人，高級工程師，主要從事河匚模型扯測儀器研究工作，(電話電子信箱)m5888。采用雙向分置式（見圖1）,當發(fā)射探頭發(fā)出一束已知頻率的聲音脈沖，并沿其聲束軸傳播通過采樣體時，聲音能量在所有方向上由水中的粒子（如泥沙顆粒、小生物體、氣泡等）反射，反射的部分能量被接收探頭接收，并且由信號調(diào)理部分測量出頻率的變化，再經(jīng)信號處理部分計算出水流的三維速度因此,ADV測量的實質(zhì)就是采樣體與發(fā)射探頭的相對運動速度，傳感器及采樣體示

6、意圖如圖圖2ADV傳感器及采樣體示意圖Fig.2DiagramofADVsensorandsamplingbody據(jù)被測點位置選用，其中二維側(cè)視探頭可用于水深極淺情況（23cm）。新型ADV的數(shù)據(jù)采集軟件WinADV可處理測量信號和各種流動參數(shù)，提供圖形和表格形式的實時數(shù)據(jù)顯示，包括3個方向的流速、信噪比、信號強度及相關(guān)系數(shù)，如圖3所示。測量時試驗人員可通過界面顯示監(jiān)控儀表工作和測母數(shù)據(jù)情況，自動保存的測量數(shù)據(jù)可方便地由Excel等專用軟件進行后處理，并可在不中斷正常實驗及ADV運行的情況下調(diào)整速度的范圍及相關(guān)系數(shù)值,從而保證方便、迅速校準ADV的性能。2儀器性能與特點ADV是一種非接觸式、單

7、點的多普勒流速測量儀器，無定期校準要求,并具有如下特點:高精度測雖三向平均流和紊流流速;不干擾被測點流場;可測量mm/s量級的極慢流速;能對湍流參數(shù)作直接計算;因其參考基準是聲速,故每次測量時無需標定;所測數(shù)據(jù)包括聲學背散射強度,經(jīng)過標定可用來確定水體中懸沙濃度。新型ADV按工作頻率分為16MHz和10MHz2種傳感器,適用于河工模型的平均流速、邊界層流速、紊流（雷諾應力）及波浪譜測信。其主要性能指標數(shù)據(jù)見表1。三維ADV傳感器由3個接收探頭和1個發(fā)射探頭組成,采樣體位于探頭下方5cm或10cm,這樣可以基本上消除探頭對被測流場的干擾。ADV探頭有4種形式:三維俯視、側(cè)視、仰視和二維側(cè)視,根圖

8、3ADV測量界面Fig.3InterfaceofADVmeasurement新型ADV在美國已成為水力及海洋實驗室的標準流速測量儀器。新型ADV的umultiport即多通道ADV接線盒）內(nèi)置微處理器，用一條同步線保證所有受控傳感器的同步測最和數(shù)據(jù)獲取，一臺multiport可連接6臺ADV傳感器，而1臺計算機可連接多臺multiport,由此形成1個多點測流系統(tǒng)。此外，挪威生產(chǎn)的新型ADV探頭集成了溫度傳感器、測深儀功能，增加了第4個聲波接收傳感器，可以測量水深,以提高測量湍流的性能。不僅方便試驗人員了解河床的水深情況，當增加傳感器的升降器設施時,水深數(shù)據(jù)還可以通過計算機來控制ADV傳感器的

9、入水深度，自動測量垂線流速的分布。綜上所述，由于ADV測量范圍寬而又準確，并以極好的低速流動性能和快速的流速過程獲得了認可，開始廣泛應用于研究波浪軌跡、水體運動軌跡、橋樁周圍水流擾動、水沙喪驗測試、水力模型實驗，型號工作頻率/MHz采樣頻率/Hz采樣.單元/cn?采樣距離/.cm測速范圍/（cm水平向垂而準確度分辨率/(cms,)MicroADV160.1-500.0950-3600-90所測流速的1%,0.01ADV100.1250.255或100-3600-90±0.25cm/s表1新型ADV主要性能指標Table1KeyperformanceindicatorsofnewADV

10、以至野外測量、水流擾動對漁業(yè)的影響等方面。3橋墩模型試驗研究應用3.1試驗內(nèi)容與模型布置馬鞍山長江公路大橋工程是一項重大涉水工程，在馬鞍山河段江心洲下段橫跨長江兩岸及洲堤的堤防。工程問題包括橋梁工程的選址、橋墩型式的選取及跨度選擇，橋墩沖刷和橋梁布置對河勢和防洪的影響及適宜性等。為了預測河道的演變趨勢及大橋建設對工程河段的影響程度，提出相應的對策措施，長江科學院開展了橋墩局部沖刷概化水槽模型試驗。研究橋墩局部河床變形規(guī)律，通過橋址斷面概化和岸坡概化，重點觀測橋墩附近水流變化和河床變形悄況，了解橋墩周圍河床的沖刷深度、沖刷范圍，為工程設計和防護措施提供依據(jù)。馬鞍山大橋左漢兩邊墩的承臺標高7m,厚

11、6m,迎水面寬31.7m,順水長69.2m,承臺下迎水面中排樁，共48根樁。該大橋的左漢左邊墩為本次水槽試驗的主要參考對象。根據(jù)研究目的及馬鞍山河段的河道特點，馬鞍山長江大橋橋墩局部沖刷試驗采用斷面正態(tài)模型,模型幾何比尺選定為100。橋墩局部沖刷試驗在長30m、寬3m、高1m的水槽中進行，模型布置見圖4所示。；呆水煨:了；'|:水池:水II渠橫化岸坡匚-'I'rrn'rilirrrri,ri,iliirr前池;進尾口n圖4馬鼓山長江大橋橋墩局部模型示意圖Fig.4LocalmodelofMa*anshanYangtzeRiverBridgePier3.2ADV測

12、量應用與數(shù)據(jù)分析3.2.1ADV測量應用要點橋墩概化水槽模型試驗采用了美國的新型ADV流速儀，測量時將ADV探頭固定在測架上，測架由精密機械絲桿及傳動機構(gòu)組成，以保證傳感器探頭精確定位。圖5為ADV在馬鞍山長江大橋橋散局部模型試驗中的測量應用。當岸邊水深較淺時采用二維側(cè)視探頭。有關(guān)測圖5用ADV在橋墩局部模型上測量Fig.5ADVmeasurementforlocalpiermodel量參數(shù)的設置以及合理使用應注意以下3個方面。(1) ADV測速范圍和信號強度：為保證測量精度，一般情況下測量設定的速度范圍應大于試驗中出現(xiàn)的最大流速。信號強度是測量探頭接受超聲波信號強度的尺度,ADV中的信號強度

13、是信號和噪音的比值，即用信噪比SNR來衡最。主要可以檢驗水中是否存在足夠的介質(zhì)來反射聲波信號,如泥沙、雜質(zhì)微粒等。如果水中粒子過少，返回的信號就會比周圍的噪音還要小，達不到足夠大的信號強度，所測得的數(shù)據(jù)肯定和實際相差很大。如果測量中SNR降低，也表明噪音很大，使ADV無法進行精確測鼠,影響測量數(shù)據(jù)的精確性。對于瞬時流速測魚以25Hz頻率采樣,信噪比一般要求大于15dB；對于平均流速測量以0.5Hz采樣，ADV可以在信噪比為5dB時正常工作。(2) 影響ADV測試精度的主要因素：由ADV測速原理可知，不同的聲速會對多普勒頻移產(chǎn)生影響。在水中，聲速主要是溫度和水的含鹽度的函數(shù),它們的變化將引起聲速

14、的變化。如改變5T的溫度，聲速將改變1%;改變1.2%的含鹽度，聲速將改變1%。如果ADV使用的聲速誤差為1%,速度測鍬結(jié)果的誤差將會達2%。對于由聲速變化而引起的速度測量誤差可以在后處理中修正。通常模型試驗用水為儲蓄的自來水，基本無鹽度變化，所以應主要注意由于試驗廳內(nèi)外水循環(huán)引起的溫度變化。不同的采樣頻率和采樣體高度對ADV測速也有影響，前者對平均流速的測量影響較小，而后者的不同所得結(jié)果的波動較大。為保證精度，一般ADV采樣體高度采用9mm,采樣頻率采用25Hz。在測量過程中，我們觀測到垂線水深小于5cm時，測量波形明顯失真，當測點距邊壁為3.5cm時，波形紊動強度更大，這主要是底部或邊壁的

15、反射信號與控制體的信號混在一起，使噪聲增加。當遇匕述2種情況時，測量應更換為二維側(cè)視探頭°當恢復正常測最水深時，若噪聲干擾過大,應退出數(shù)據(jù)采集界面，重:新啟動ADV進行采集。因為ADV每次啟動時,軟件系統(tǒng)會自動判別是否有邊界的干擾而自動調(diào)節(jié)發(fā)射頻率。ADV操作不當和信噪比太低都會降低ADV測試精度。(3)渾水濃度對測量:效果的影響：超聲波傳播的距離還與水中懸浮泥沙顆粒的含量(通常稱為含沙量)有關(guān)，含沙量越大，超聲波被吸收的聲能就越多，也就會減小儀器的測量距離。由于含沙也僅僅是吸收超聲波的聲能只減弱信號強度，并不改變超聲波的傳播速度,所以并不影響超聲波的測量精度。但是,過大的含沙量會影

16、響ADV的適用范圍。有研究表明：當挾沙水流濃度達到15kg/m3時,ADV已不能確定測點的位置，對于高于這一含沙量濃度的水流就不再適宜采用ADV測量流速。但是，借助于超聲波被泥沙吸收的聲能的特性可以測定水流含沙量濃度。模型沙不同的種類、顆粒大小及級配對超聲波的散射作用不同，因此，可以根據(jù)模型試驗用沙,建立顆粒濃度與信號強度的標準關(guān)系曲線，經(jīng)過標定來確定水體中懸沙濃度。ADV采集的是瞬時的信號強度，可得到瞬時的泥沙濃度分布以及紊動的過程曲線，這一點對研究泥沙的起動、懸浮、擴散及其紊動分析都有重要的意義。3.2.2試驗分析與應用效果試驗顯示，橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)主要包括墩前向下水流、墩前沖擊波和橋墩

17、周圍水流場的旋渦體系,包括墩前沖刷坑邊緣形成的繞橋墩內(nèi)側(cè)流向下游的馬蹄形旋渦。它在墩前使向下流動的最大流速位置更靠近橋墩。墩兩側(cè)由于流速梯度產(chǎn)生的邊界分離,形成立軸旋渦;向下游移動的尾流旋渦，不斷地從橋墩兩側(cè)釋放出來,促進沖刷過程的發(fā)展，像真空吸塵器一樣，每個旋渦形成-個低壓中心，牽動馬蹄形漩渦區(qū)內(nèi)的流體不斷地進行橫向、豎向和前后擺動，劇烈淘刷橋墩:迎水端和周圍泥沙，形成局部沖刷坑O試驗發(fā)現(xiàn),橋墩附近的水流局部變形具有很明顯的三維特點。平面水流經(jīng)繞橋墩形成一般的形體繞流，在水流流向橋墩時，水流動能逐漸轉(zhuǎn)化為勢能,在橋墩上游形成駐點，水位有所壅高°但由于液體的不可壓縮性，繼續(xù)流來的質(zhì)點

18、勢必要改變原有的流向，脫離邊界，向外側(cè)流去，出現(xiàn)邊界層分離。試驗觀測橋墩附近的水流結(jié)構(gòu)圖繪制如圖6所示。在試驗測量過程中，通過著色示蹤劑(高錠酸鉀)觀測到以下現(xiàn)象:在施放85000,95000J02500m3/s3級特征流最時，水流受到橋墩頭部的頂沖向兩側(cè)擴散，受到擠壓的水流流速明顯增大，水面涌波和水流紊動I分清晰,左側(cè)繞流直接頂沖到橋址斷面附近的岸坡，可以明顯看到橋墩尾后部的回流區(qū)，但范圍比小流量條件下的回流區(qū)略小，而用ADV進行流速跟蹤測量的數(shù)據(jù)表明與上述現(xiàn)象極為相似,說明ADV的定量測段與定性的觀測結(jié)果一致。圖7為橋墩周圍水流加著色示蹤劑實拍圖像，圖6橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6S

19、chematicoftheflowaroundthepier圖7橋墩周圍水流實拍圖像Fig.7Imageofflowaroundthepier試驗中采用ADV二維、三維2種型號的傳感器對設置的垂線流速測點施測時，還與旋漿流速儀的測晴結(jié)果進行了對比，表2列出了其中施放流量。=45000m3/s時橋墩周圍幾個特征點的流速值，表2橋墩周圍特征點平均流速統(tǒng)計表Table2Theaveragevelocitiesatthefeaturepointsaroundthepier點號卜水深平均流速/(ms-)旋槳三維ADV二維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：*方向下游為正，上游為負;y方向左岸為正，右岸為負;z方向鉛在向下為正，鉛汽向上為負;為模映相對水深。發(fā)現(xiàn)二者的測量結(jié)果具有很好的相似性，也再次論

21、證了ADV測量數(shù)據(jù)的可信度。從應用效果來看,ADV的測量優(yōu)勢是顯而易見的，其測速數(shù)據(jù)采集速度要快得多，因此測量時間可大幅縮短。采用“時間-各向流速”數(shù)據(jù)來動態(tài)顯示瞬時測量值，更有利于水流紊流狀態(tài)和泥沙運動狀態(tài)的分析。而旋漿流速儀受測量方式限制，只能測平均值，且3個方向的流速值不能同時測量獲取。在測量范圍方面,ADV可測到mm級極低流速值,而旋漿流速儀受旋漿轉(zhuǎn)動最小起動值的限制，一般最小值只能測到I.5cm/s左右。另外，其流速值的差異分析，排除人為操作和外界干擾因素，ADV的準確度應比旋漿流速儀更符合實際水流運動狀態(tài),因為ADV不破壞被測點流場,其采樣體體積比旋漿測量的也小得多，水流速度及素動

22、過程測量曲線清晰可見，可以在橋墩模型試驗研究中取得更好的測試效果，如圖8所示。150CX10001-Velocities(cnVs).100時間/$圖8ADV測速過程曲線圖Fig.8HistorycurvesofADVmeasurement應用中值得注意的是要根據(jù)儀器自身的工作原理與特點以及應用環(huán)境，合理地設置測量參數(shù)和正確的操作系統(tǒng)，盡量減小各種影響測量誤差的因素。例如在水流平穩(wěn)時，從自動保存的測量數(shù)據(jù)及紊動波形來看,有少數(shù)采樣值是不合理的,其波峰數(shù)值遠遠大于均值范圍。通過比照示蹤觀測可以看到，這是由于水流中的懸浮粒子團距接收探頭過近造成強反射,或有氣泡和噪聲干擾所致。因此，整理分析原始測量

23、數(shù)據(jù)時應剔除不合理采樣值。4結(jié)語本次試驗研究表明，新型ADV流速儀能準確、快速、無干擾地測量三維流場,是一種測量精度高、性能好、功能多、操作簡便，又特別實用的流速測域儀器。通過實踐，我們有如下幾點體會：(1)重視ADV測量應用條件，注意模型邊界條件變化、環(huán)境溫度和水溫變化,以及環(huán)境噪聲和測橋測架振動等多種因素的影響；為保證精度，應根據(jù)以上條件正確設置測量控制參數(shù),ADV操作不當和信噪比太低都會影響ADV測量精度。(2) ADV的定量測量與定性的觀測結(jié)果一致，同時，當采用二維、三維2種型號的傳感器對設置的測點測量時，隨機選擇測點與采用旋漿流速儀時的測量結(jié)果進行對比,發(fā)現(xiàn)二者的測8：結(jié)果具有很好的

24、相似性,論證了ADV測量數(shù)據(jù)的可信度。(3) 對于非常復雜的橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)條件，包括墩前水面涌波、橋墩迎水面向下水流和尺度很大的紊流區(qū)，采用新型ADV流速儀成功測試了各測流區(qū)域，了解到橋墩周圍的流場與橋墩周邊的河床局部變形有密不可分的關(guān)系，橋墩周圍的流場控制著局部沖刷模式，橋墩紊流是造成橋墩局部沖刷的重要因素，而局部沖刷的發(fā)展又反過來影響橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)。參考文獻：1 田淳，劉少華.聲學多普勒測流原理及其應用M.鄭州：黃河水利出版社,2003.(TIANChun,IJShao-hua.PrincipleofAcousticDopplerFlowMeasurementandItsAppli

25、cationM.Zhengzhou:YellowRiverConservancyPress,2003.(inChinese)肖洋,唐洪武，毛野，等.新型聲學多普勒流速儀及其應用JL河海大學學報,2002,(3)：15-18.(XIAOYang,TANGHong-wu,MAOYe,etal.NewA-coustic-DopplerVelocimeter(ADV)andItsApplicationJ.JournalofHohaiUniversity,2002,(3)：15-18.(inChinese)林鵬，陳立.MicroADV及其在挾沙水流中應用的研究C第四屆全國泥沙基本理論研究學術(shù)討論會文集.

26、成都：四川大學出版社,2000.(LINPeng,CHENLi.MicroADVandItsApplicationintheSedimentHowStudyC/ProceedingsoftheFourthNationalSymposiumontheBasicTheoryofSediment.Chengdu:SichuanUniversityPress,2000.(inChinese)2 黃衛(wèi)東，廖小永，矣新生，等.馬鞍山長江大橋近岸橋墩河床變形與岸坡防護標準研究水槽模型試驗R.武漢：長江科學院,2010.(HUANGWei-dong,LIAOXi-ao-yong,WUXin-sheng,eta

27、l.StudyonStandardsofRiverbedDeformationandBankSlopeProtectionNearMa'anshanYangtzeRiverBridgePierbyModelTestTankR.Wuhan:YangtzeRiverScientificResearchInstitute,2010.(inChinese)(編輯:周曉雁)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會公會分分恐公公公分公公公會分公公公公會公公公公公公公公益公公0公分公公會右公公公a公公公分00公公公公公公套會公公分公久公公公公六會公會公分公分分分(上接第99頁)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公公公會會a公公aa公會會公會公會會公0公公會公公公0公公公行會公公公aa公公會公會公分分會會公會會公益公公分會公公公公公公公恐會公行會公公公六公會分公分分分會,會恐(上接第103頁)CalculationandAn