CN106771336B - 一种隧道断面风速测量装置及测量点位置计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道断面风速测量装置及测量点位置计算方法，包括竖向测量杆，底座和风速测量风杯，所述底座包括框架，所述框架的内侧面开设有滑槽，所述竖向测量杆通过其底部设置的棱柱底座滑动连接在底座的滑槽中，所述风速测量风杯固定设置在竖向测量杆上，风速测量风杯按照切贝且夫法确定的位置布置，能便捷的同时采集同一隧道断面不同位置的风速，且能够快速移动，以便快速的测量下一个隧道断面不同位置的风速，解决了隧道断面风速测量中测试结果失真、支架布设困难、支架移动不便的问题。

Description

一种隧道断面风速测量装置及测量点位置计算方法

技术领域

本发明专利涉及隧道工程测量仪器领域，具体涉及一种隧道断面风速测量装置及测量点位置计算方法。

背景技术

隧道壁面阻力系数的确定、隧道通风效果的测量以及隧道风机个性曲线的现场测量等对隧道的工程的通风节能运营意义重大。这些项目中最主要的测量项目就是隧道断面风速的测量。

传统的断面的风速测量多用单台手持式风速风量仪对隧道中个别点位的风速进行测量以其平均值作为整个断面的平均风速。这种测量方法所选取的测点数量较少，位置也较为随机，计算所得的平均风速不能准确的反映断面的平均风速，几个测点的风速严格来讲不为同一时刻该断面的风速。后续相关研究中，在断面风量测量中，隧道断面被分为若干小断面，对其每个断面形心处的风速进行测量，以其算数平均值作为断面平均风速。但是由于隧道管壁的作用，隧道断面上的风速不是平均分布，断面风速在管壁处较小，在断面中心部位风速较大。因此各测点的权重也不尽相同，各断面形心的风速的算数平均数不能准确表达断面平均风速。并且目前在对各小断面风速进行测量时需要布设大量钢架，在钢架上布设测量风杯，每完成一次测量就需要将钢架、仪器等拆除，搬用至下一断面组装后进行再次量测，隧道一般长度较长，需要监测断面较多，所以此种方法，费时费力，监测得到的不同断面的数据间隔时间较长。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种隧道断面风速测量装置，能便捷的同时采集同一隧道断面不同位置的风速，且能够快速移动，以便快速的测量下一个隧道断面不同位置的风速，解决了隧道断面风速测量中测试结果失真、支架布设困难、支架移动不便的问题。

为达到上述目的，本发明所述一种隧道断面风速测量装置包括竖向测量杆，底座和风速测量风杯，所述底座包括框架，所述框架的内侧面开设有滑槽，所述竖向测量杆通过其底部设置的棱柱底座滑动连接在底座的滑槽中，所述风速测量风杯固定设置在竖向测量杆上。

所述竖向测量杆为可伸缩杆。

所述竖向测量杆为多节可抽出式，包括多级母管和子管，母管上端设有固定孔，子管下部固定设置有位置固定柱，既作为母管又作为子管的管子上端设有固定孔，下部固定设置有位置固定柱，所述位置固定柱包括焊接在子管内壁的卡位台，卡位台下端固定连接有伸长柱，所述伸长柱左右两侧对称设置有球顶可压缩柱，所述球顶可压缩柱与固定孔配合实现子管位置的固定，所述球顶可压缩柱伸出时可固定子管位置，压回后可实现子管的收缩。

所述每个竖向测量杆的其中一个母管上每间隔0.05m-0.1m设置一对固定孔。

所述竖向测量杆与棱柱底座之间设置有千斤顶。

所述底座包括框架、车轮固定装置和轮轴系统，所述轮轴系统通过车轮固定装置固定设置在框架底部，所述轮轴系统用于带动风速风量测量装置移动，其包括车轴和车轴两端的车轮。

所述车轮固定装置包括约束部和设置在约束部中的轴承，所述约束部包括上约束部和下约束部，所述上约束部和下约束部两端分别通过销钉铰接，所述上约束部固定在框架上，当一端的交接点解除铰接时，下约束部可向侧上方旋转，并固定在框架上，且下约束部的最低位置处不低于框架的底端位置。

所述框架的长轴与短轴相接处的长轴内侧面设置有棱柱底座安装通道，所述棱柱底座的两端设置有防止棱柱底座滑出滑槽的约束头。

所述风速测量风杯通过卡扣固定在竖向测量杆上。

一种隧道断面风速测量点位置计算方法，采用切贝且夫法计算测量点的位置，具体测量点位置由下述公式计算所得：对隧道中风的流速采用切贝且夫多项式T_n(x)逼近其真实函数f(x)，

T_n+1(x)＝cos((n+1)arccosx)

x∈C[-1,1]，令x＝cosθ，则有θ∈C[0，π]，则n+1阶切贝且夫多项式：

T_n+1(x)＝cos((n+1)θ)

代入cosθ＝x得：

T_n+1(x)＝cos((n+1)arccosx)

取

即切贝且夫结点：

通过下式将x∈[-1,1]转换到一般的t∈[a，b]上：

式中：x，t—变量，

则差值节点为：

差值节点即为测点的横坐标，

式中：x_i—测线的横坐标；

a—测量范围的初始值，本次测试中为0；

b—测量范围的终止值，本次测量中为隧道宽度l；

i—测点序号；

n—测点总数减1，

测点的纵坐标计算方法和横坐标计算方法相同：

式中：y_i—测线的纵坐标；

a—测量范围的初始值，本次测试中为0；

b—测量范围的终止值，本次测量中为测线高度h；

i—测点序号；

n—测点总数减1。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，本发明在底座上设置有若干竖向测量杆，且所有的竖向测量杆可沿底座上的滑槽移动，每根竖向测量杆上设置有若干风速测量风杯，实现了断面风速的多点同时测定，测定点位可以为隧道断面内任意位置，便于隧道风速测量测点按照切贝且夫法布置，以获取能反映断面真实风量的测量数据，同时实现了风速测量装置的可拼装与拆卸。

进一步的，竖向测量杆为可伸缩杆，通过可伸缩管体实现了测试装置的小型化，降低了仪器的运输与安装困难。

进一步的，竖向测量杆为多节可抽出式，包括多级母管和子管，母管上端设有固定孔，子管下部固定设置有位置固定柱，既作为母管又作为子管的管子上端设有固定孔、下部固定设置有位置固定柱，位置固定柱包括焊接在子管内壁的卡位台，卡位台下端固定连接有伸长柱，伸长柱左右两侧对称设置有球顶可压缩柱，球顶可压缩柱与固定孔配合实现子管位置的固定，球顶可压缩柱伸出时可固定子管位置，压回后可实现子管的收缩，采用可抽出式结构实现竖向测量杆的伸缩，可快速对高度进行较大范围的调节。

进一步的，所述每个竖向测量杆的其中一个母管上每间隔0.05m-0.1m设置一对固定孔，可以实现较小范围的高度调整。

进一步的，竖向测量杆与棱柱底座之间设置有千斤顶，千斤顶的行程至少为0.1m，实现了竖向测杆长度的微调以及管体在隧道顶部壁面与棱柱底座之间的顶紧，从而达到固定管体作用减小了隧道顶部、侧壁以及地面固定测量杆时的打孔作业，降低了对隧道结构的损害，减小了人员作业危险，节省了测试时间。

进一步的，底座包括框架、车轮固定装置和轮轴系统，轮轴系统通过车轮固定装置固定设置在框架底部，轮轴系统用于带动风速风量测量装置移动，其包括车轴和车轴两端的车轮，实现了隧道内组装后的测试仪器的可移动，避免多个断面测量时的仪器的拆卸与安装，大量节省测试时间。

进一步的，车轮固定装置包括约束部和设置在约束部中的轴承，约束部包括上约束部和下约束部，上约束部和下约束部两端分别通过销钉铰接，上约束部固定在框架上，当一端的交接点解除铰接时，下约束部可向侧上方旋转，并固定在框架上，且下约束部的最低位置处不低于框架的底端位置，当断面测试准备开始时，旋转下约束部装置至外侧的固定柱，利用销钉将其固定，将轮轴系统和轴承拆卸下来，以便车架可和地面完全贴合，实现测杆的稳定，当一个测试断面完成后需要移动车体时，可旋转下部约束装置至与上部约束装置闭合，供轮轴系统安装使用，操作简便，节省时间。

进一步的，框架长轴与短轴相接处的长轴内侧面设置有棱柱底座安装通道，棱柱底座的两端设置有防止棱柱底座滑出滑槽的约束头，可有效防止棱柱底座滑出滑槽，提高测量效率。

进一步的，风速测量风杯通过卡扣固定在竖向测量杆上，方便调节位置或使用完毕之后进行拆卸。

本装置的风速测量风杯的安装位置由切贝且夫布点法确定，切贝且夫差值节点处的多项式值能够基本反映隧道风速变化的真实函数，因此选取切贝且夫多项式的差值节点作为风速测量的测点，即用此法选择的测点所得出的流场风速能基本反映断面的风速分布情况。

附图说明

图1是本发明装置试验状态整体示意图；

图2是本发明竖向测量杆示意图；

图3为母管细部示意图；

图4为测量杆子管示意图；

图5为测量杆子管底部位置固定柱示意图；

图6为固定柱细部构造示意图；

图7为多孔管示意图；

图8为底座示意图；

图9为车轮固定装置示意图；

图10为轴承示意图；

图11为车轮固定装置试验状态示意图；

图12为轮轴系统示意图；

图13为风速测量风杯杯示意图；

图14为切贝且夫布点法示意图

图15为测量时的效果图；

附图中：1、竖向测量杆，2、底座，3、风速测量风杯，4、千斤顶，5、隧道内壁，101、棱柱底座，103、母管，104、子管，1031、卡位台，1032、固定孔，1033、圆水准器，1041、位置固定柱，10412、伸长柱，10413、球顶可压缩柱，104131、限位柱底座，104132、卡位球顶鞘，104133、限位柱，104134、复位弹簧，104135、卡位片，105、多孔子母管，1051、0.6m高度孔，1052、0.7m高度孔，1053、0.8m高度孔，1054、0.9m高度孔，1055、1m高度孔，106、约束头，201、框架，202、车轮固定装置，203、轮轴系统，204、安装通道，205、框架长轴，206、刻度条，2021、上约束部，2022、下约束部，2023、固定柱，2024、轴承，2025、销钉，2026、销钉孔道，20241、轴承外部圆环，20243、空心圆台，2031、车轴，2032、车轮，302、卡扣，303、螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1，一种隧道断面风速测量装置包括竖向测量杆1，底座2和风速测量风杯3，底座2包括框架201，框架201的内侧面开设有滑槽，竖向测量杆1通过其底部设置的棱柱底座101滑动连接在底座2的滑槽中，风速测量风杯3固定设置在竖向测量杆1上。

参见图2，竖向测量杆1与棱柱底座101之间设置有液压千斤顶102，千斤顶底面固定于棱柱底座101上，千斤顶的行程至少为0.1m，实现了竖向测杆长度的微调以及管体在隧道顶部壁面与棱柱底座之间的顶紧，从而达到固定管体作用减小了隧道顶部、侧壁以及地面固定测量杆时的打孔作业，降低了对隧道结构的损害，减小了人员作业危险，节省了测试时间。

参见图3，在最下端的母管103上设有圆水准器1033，将竖向测量杆1调整至铅锤提供参考，提高了测试数据的准确度。

参见图4和图5，竖向测量杆1为多节可抽出式，包括多级母管103和子管104，子管套设在母管中，最下端的为母管，最上端的为子管，其余管既为母管又为子管，简称子母管，母管103上端设有固定孔1032，子管104下部固定设置有位置固定柱1041，既作为母管又作为子管的管子上端设有固定孔1032，下部固定设置有位置固定柱1041，位置固定柱包括焊接在子管内壁的卡位台1031，卡位台1031下端固定连接有伸长柱10412，，伸长柱10412左右两侧对称设置有球顶可压缩柱10413，球顶可压缩柱10413与固定孔1032配合实现子管位置的固定，球顶可压缩柱10413伸出固定孔1032时可固定子管位置，压回后可实现子管的收缩，采用可抽出式结构实现竖向测量杆1的伸缩，可快速对高度进行较大范围的调节。

参见图7，每组子母杆中设置一根多孔子母管105，多孔母管每间隔0.1m设置一对固定孔1032，相邻子管约束孔孔道设置在两相互垂直断面上，以保证钢管的刚度，多孔子母管105自下至上分别设置有0.6m高度孔1051、0.7m高度孔1052、0.8m高度孔1053、0.9m高度孔1054、和1m高度孔1055，每组子母杆中可根据需要设置一根长度0.5m的子母管，其余子母管长度均为1m，此种组合可以满足任意高度的断面测杆布置。

参见图6，球顶可压缩柱10413包括限位柱底座104131、卡位球顶鞘104132、限位柱104133和复位弹簧10434，限位柱104133通过其底座104131与伸长柱10412固定连接，限位柱104133上套设有复位弹簧10434，限位柱104133用于对复位弹簧进行定位，防止复位弹簧位置发生变动，复位弹簧10434用于实现球顶可压缩柱10413伸出或缩进固定孔1032，卡位球顶鞘104132中设置有用于向复位弹簧传递作用力的卡位片104135，施力压卡位球顶鞘104132时，复位弹簧在卡位片104135的带动下收缩，使卡位球顶鞘104132缩进固定孔1032，抽动子管，子管带动位置固定柱上移，当移动至下一个母管固定孔1032时，卡位球顶鞘104132端部不再受力，复位弹簧释放压力，使卡位球顶鞘104132伸出固定孔1032，从而实现子管的定位。

参见图8，底座2包括框架201、车轮固定装置202和轮轴系统203，轮轴系统203通过车轮固定装置202固定设置在框架201底部，轮轴系统203用于带动风速风量测量装置移动，框架长轴205与短轴相接处的长轴内侧面设置有棱柱底座安装通道204，棱柱底座101的两端设置有防止棱柱底座101滑出滑槽的约束头106，可有效防止棱柱底座101滑出滑槽，提高测量效率，框架长轴205上贴有刻度条206，便于棱柱底座的准确定位，车架长度2m～3m，宽度为0.40m～0.6m。

参见图12，轮轴系统203包括六棱车轴和车轴两端的车轮5，车轮为可拆卸安装型，待车轴穿过内部空心圆台后安装车轮，实现了隧道内组装后的测试仪器的可移动，避免多个断面测量时的仪器的拆卸与安装，大量节省测试时间。

参见图9和图10，车轮固定装置202包括约束部和设置在约束部中的轴承2024，约束部包括上约束部2021和下约束部2022，上约束部2021焊接在框架201上，上约束部2021左右两端分别设有销钉孔道2026，下约束部2022左右两端亦分别设有销钉孔道2026，且上约束部和下约束部左侧的销钉孔道2026处于同一直线上，上约束部和下约束部右侧的销钉孔道2026处于同一直线上，两根销钉2025分别插入销钉孔道2026实现上约束部2021和下约束部2022左右两端的铰接，通过绕左侧销钉旋转可实现下部约束装置的开启和关闭，框架201上还设置有固定柱2023，当一端的交接点解除铰接时，下约束部2022可向侧上方旋转，并通过销钉固定在固定柱2023上，且下约束部2022的最低位置处不低于框架201的底端位置，当断面测试准备开始时，旋转下约束部装置至外侧的固定柱，利用销钉将其固定，将轮轴系统203和轴承拆卸下来，以便车架可和地面完全贴合，实现测杆的稳定，当一个测试断面完成后需要移动车体时，可旋转下部约束装置至与上部约束装置闭合，供轮轴系统安装使用，操作简便，节省时间。

参见图11，轴承2024由外部圆环20241和内部空心圆台20243以及钢滚珠组成，外部圆环与车轮固定装置挤紧，钢滚珠填充在外部圆环和内部空心圆台之间，实现内部空心圆台的转动，内部空心圆台设有六棱柱孔道，供固定六棱车轴2031使用。

参见图13，风速测量风杯3底部与卡扣302固定连接，卡扣302通过螺栓303固定在竖向测量杆1上，方便调节位置或使用完毕之后进行拆卸。

参见图14，本装置的风速测量风杯3的安装位置由切贝且夫布点法确定，切贝且夫差值节点处的多项式值能够基本反映隧道风速变化的真实函数，因此选取切贝且夫多项式的差值节点作为风速测量的测点，即用此法选择的测点所得出的流场风速能基本反映断面的风速分布情况，具体测点坐标由下述公式计算所得：对隧道中风的流速采用切贝且夫多项式T_n(x)逼近其真实函数f(x)，

T_n+1(x)＝cos((n+1)arccosx)

x∈C[-1,1]，令x＝cosθ，则有θ∈C[0，π]，则n+1阶切贝且夫多项式：

T_n+1(x)＝cos((n+1)θ)

代入cosθ＝x得：T_n+1(x)＝cos((n+1)arccosx)

取

即切贝且夫结点：

通过下式将x∈[-1,1]转换到一般的t∈[a,b]上：

式中：x,t—变量，

则差值节点(测点的横坐标)为：

式中：x_i—测线的横坐标；

a—测量范围的初始值，本次测试中为0；

b—测量范围的终止值，本次测量中为隧道宽度l；

i—测点序号；

n—测点总数减1，

测点的纵坐标计算方法和横坐标计算方法相同：

式中：y_i—测线的纵坐标；

a—测量范围的初始值，本次测试中为0；

b—测量范围的终止值，本次测量中为测线高度h；

i—测点序号；

n—测点总数减1。

本发明安装及使用过程如下：

隧道某一断面上的流速一般不等于常数，现场的速度分布也很难严格遵循某一规律，考虑风道中的风速为充分发展的紊流，其流速在隧道壁面上为零，在断面中心达到最大值。利用切贝且夫多项式可以对断面的风速分布进行拟合，切贝且夫差值节点处的多项式值能够基本反映隧道风速变化的真实函数，因此选取切贝且夫多项式的差值节点作为风速测量的测点，也就是说，用此法选择的测点所得出的流场风速能基本反映断面的风速分布情况，具体的以马蹄形隧道断面为例，给出切贝且夫布点的具体位置如表1所示，参照图14所示，L为隧道宽度，h为隧道顶点与地面的距离，x_i为测点位置横坐标，h_i为每条测点对应长度，y_i为测点位置纵坐标(即测点高度)。

表1

测线或测点序号	X<sub>i</sub>/L值	y<sub>i</sub>/h<sub>i</sub>值
			1	0.075	0.061
2	0.235	0.235
			3	0.437	0.437
4	0.563	0.563
			5	0.765	0.765
6	0.925	0.939

以某马蹄形断面隧道风速测量为例，断面的形状如图14所示，断面宽6.5m，高6.5m，隧道共长1000m，每间隔100m进行一次测量(两端的截面不测量)，以获取整个隧道的风量以及流场分布等信息，本实施例共需测试9个断面，每个断面以隧道侧壁与隧道底面的交点处为坐标原点O(0，0)。

首先进行断面1处的风速测量，选用两台长度为3m的风速测量装置测量完成此断面风速测量，两台风速测量装置放置在同一隧道截面中，隧道截面中一般风速较大，为了避免风速较大时本装置发生晃动，所以本装置的框架2采用钢板焊接而成，若直接将框架2做成6米，则会导致本装置重量过大，不易移动，所以本实施例中选用两个3米的装置并排放置来对同一隧道截面的风速进行测量，每台风速风量测量装置上设置3根竖向测量杆1，选用的千斤顶的行程为0.15m，本体高度为0.157m，计算测点1～6的横坐标依次为：0.49m、1.53m、2.84m、3.66m、4.97m、6.01m；测杆1～6的高度依次为：4.98m、6.00m、6.47m、6.47m、6.00m、4.98m。

各测线对应其长度具体的竖向测量杆1，组合情况如下(由顶至底顺序)：

4.98m高测线，1m长度子管+多孔母管(选择0.8m高度孔位)+1m长度子母管+1m长度子母管+1m长度母管，高度共4.8m，其余高度由千斤顶调节并使测量杆顶部顶紧隧道顶面内壁；

6.00m高测线，1m长度子管+多孔母管(选择0.8m高度孔位)+1m长度子母管+1m长度子母管+1m长度子母管+1m长度母管，高度共5.9m，高度由千斤顶调节并使测量杆顶部顶紧隧道顶面内壁；

6.47m高测线，0.5m长度子管+多孔母管(选择0.9m高度孔位)+1m长度子母管+1m长度子母管+1m长度子母管+1m长度子母管+1m长度母管，高度共6.4m，其余高度由千斤顶调节并使测量杆顶部顶紧隧道顶面内壁。

参见图15，各个竖向测量杆1组装完毕后，将本装置运输至第一处风速测量断面后，拆掉轮轴系统，将车轮固定装置的下部约束2022旋转并用销钉2025固定在约束柱2023上，保证千斤顶102顶进时棱柱基座101与车架201能紧贴地面，然后将竖向测量杆棱柱基座101由车辆车架滑槽通道204安装入车架滑槽内，并滑至选定测点的位置，液压千斤顶102处于未顶进状态，按压下球顶可压缩柱10413，将第一子管(第一子管即第二母管)，第二子管(第二子管即第三母管)，第三子管，(第三子管即第四母管)、第四子管，依次安装至对应母管内，抽出最高处即第四子管，将第四子管下部固定柱1041抽出到第四母管子管固定孔1032位置，使球顶可压缩柱10413弹出穿过母管的子管固定孔1032，从而固定第四子管位置。将需要安装在第四子管上的风量测量风杯301通过卡扣302安装在第四子管上上。按顺序依次抽出第三、第二、第一子管，按照切贝且夫方法计算出的各测点的竖向高度，在各自对应高度处安装风量测定风杯。调整竖向测量杆顶部顶于隧道内壁的位置，使圆水准1033的水泡位于中央，保证测杆竖直，调整好竖直度后顶进液压千斤顶102，使测杆固定于棱柱基座101与隧道内壁5之间。当各个竖向测量杆1布置和风量测量表3布置完毕后，开始试验，记录每个风速测量表的数据，完成此断面的风速风量测量。

测量完成后，调整液压千斤顶102，使测杆顶端脱离隧道顶部，并留有一定距离，将车轮固定装置的下部约束2022从下部约束固定柱2023上取下，将轴承2024放置在上部约束2021内，旋转下部约束2022至与上部约束2021闭合，用销钉2025穿过固定装置销钉孔道2026固定上下约束部分。将六棱车轴2031通过轴承的六棱孔20243道穿过，安装车轮2032于六棱车轴上，将整个测量装置通过车轮移至下一断面处，取下车轮2032，抽出车轴2031，松开车轴上下约束部分，拿出轴承2024，将车轮下部约束2022重新约束在固定柱2023上，调整千斤顶102，顶进后进行该处断面的风速测量，如此重复再进行下一处断面风速测量，最终完成整条隧道所需断面处的风速风量测定。

Claims (1)

1.一种隧道断面风速测量点位置计算方法，其特征在于，采用切贝且夫法计算测量点的位置，测量点位置由下述公式计算所得：对隧道中风的流速采用切贝且夫多项式T_n(x)逼近其真实函数f(x)，

T_n+1(x)＝cos((n+1)arccosx)

x∈C[-1,1]，令x＝cosθ，则有θ∈C[0，π]，则n+1阶切贝且夫多项式：

T_n+1(x)＝cos((n+1)θ)

代入cosθ＝x得：

T_n+1(x)＝cos((n+1)arccosx)

取

即切贝且夫结点：

通过下式将x∈[-1,1]转换到一般的t∈[a，b]上：

式中：x，t—变量，

则差值节点为：

差值节点即为测点的横坐标，

式中：x_i—测线的横坐标；

a—测量范围的初始值，本次测试中为0；

b—测量范围的终止值，本次测量中为隧道宽度l；

i—测点序号；

n—测点总数减1，

测点的纵坐标计算方法和横坐标计算方法相同：

式中：y_i—测线的纵坐标；

a—测量范围的初始值，本次测试中为0；

b—测量范围的终止值，本次测量中为测线高度h；

i—测点序号；n—测点总数减1。