CN107288097B - 一种用于模拟丁坝对水流作用的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟丁坝对水流作用的试验装置及方法，属水力学物理模型试验领域。试验装置由试验模块、光源模块、数据采集模块和控制模块构成；试验模块由丁坝水流试验各基础试验构件构成；所述光源模块、数据采集模块均依附于试验模块进行布置；所述控制模块对装置其他模块起控制作用。本发明采用集成化装置设计并引入粒子图像测速技术完成丁坝水流试验过程，具有试验过程人力消耗少，效率高，试验成本低廉，节能环保，可适用工况范围广，试验精度高等优点。

Description

一种用于模拟丁坝对水流作用的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及水力学物理模型试验领域，具体涉及一种用于模拟丁坝对水流作用的物理模型试验装置及其方法。

背景技术

在航道整治领域中，根据河流整治需求在河流整治段两岸设置丁坝是一种十分有效的治河工程技术方案。其中，丁坝作为航道整治工程中广泛使用的一种水工建筑物，主要起到束窄河床、导水归槽、调整水流流向、改变水流流速、冲刷浅滩、导引泥沙等作用。因而丁坝在国内外河流整治工程中得以广泛应用：在长江口深水航道整治工程中为束水归槽、加大航深，相应地设置有丁坝群；黄河中游为保护河岸和控制河势，沿河两岸布置有多组丁坝；在美国密西西比河也采用丁坝对河道进行整治。

丁坝设置后将引起丁坝附近水动力特性发生变化，引起丁坝附近的局部冲淤变化，同时影响河流主流流向及河道演变等。丁坝附近的水流具有显著的三维特征，丁坝附近的冲淤情况均与水流的这种特征有关。因此，采用物理模型试验方法研究丁坝附近水流运动，不仅可以详细分析丁坝附近水流运动特征，而且可以为河床演变分析尤其是进一步的数值模拟提供数据支持，还可以为丁坝设计和施工提供依据。同时鉴于丁坝水流试验代表性显著，可操作性强等特点，部分高校也采用丁坝水流试验作为基础水力学实验来开展实验课程教学工作。

现已公布的关于丁坝试验的技术方案中，丁坝水流试验大多依托于临时组建的水槽，存在着试验所需仪器繁多，试验步骤复杂，试验进行时占用空间大，实验过程中过于耗费人力等不足；同时，专业性强、操作简便并能显著揭示丁坝作用下各断面水力特性的丁坝试验技术方案还十分缺乏；采用丁坝水流试验作为教学展示性实验时，存在着现有的丁坝水流试验方案对于丁坝扰动下水流断面流速分布情况展示性不足，演示效果不明显等问题。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种自动化程度较高、可灵活改变丁坝长度及方向、可详尽分析丁坝作用下水流各断面流速分布的模拟丁坝对水流作用的试验装置及其实现方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于模拟丁坝对水流作用的试验装置，其特征在于由试验模块、光源模块、数据采集模块和控制模块构成；

所述试验模块由各基础试验构件构成，包含有进水管、消能池、试验水槽、尾门、出水管、丁坝模型、定位器、蓄水池和水泵：所述进水管外界通过水泵连接至蓄水池，进水管内侧与消能池相连；所述消能池与试验水槽连接成一个整体，水体相互连通；所述试验水槽前段与消能池连接成一个整体，尾部通过尾门连接至出水管，所述试验水槽内部布置有多个丁坝模型；所述出水管前端通过尾门与试验水槽相连，出水管后端连接至蓄水池中；所述丁坝模型以丁坝或丁坝群的形式布置于试验水槽中，丁坝坝根位置均贯穿设置有定位器，用以使丁坝与试验水槽临近侧侧壁密闭连接。

所述光源模块为试验装置的信息采集的信息源模块，由线阵列激光器、上侧激光标定复合板、滑轨、下侧激光标定复合板、滑轨支架、底部标定板组成。所述线阵列激光器与相机支架一并布置于滑轨上，用以形成线光源照射所需观察的水流纵断面；所述滑轨上部架设有线阵列激光器和相机支架，下部通过滑轨支架固定于试验水槽上方；所述上侧激光标定复合板、下侧激光标定复合板分别安装布置于试验水槽上下两侧的侧壁外侧上，可灵活拆卸；所述底部标定板位于试验水槽底部壁面的外侧。

所述数据采集模块为试验装置的数据信息获取模块，由上侧高速相机、下侧高速相机、相机支架、俯视高速相机、支架和水位计组成。所述水位计设计安装于消能池与试验水槽之间的水流平稳、水位恒定区段；所述相机支架上安装有俯视高速相机，相机支架根据输入指令可沿滑轨运动至预定地点，从而允许俯视高速相机自由观察记录试验水槽俯视断面水平流速分布状况；所述上侧高速相机安放于试验水槽试验段外侧，与上侧激光标定复合板不同时布置，用以在线阵列激光器照射下观察记录丁坝群上部区域纵断面流速分布特征；所述下侧高速相机与上侧高速相机原理布置相同且呈对称布置，用以补充观察记录上侧高速相机盲区范围内的断面流速分布。

所述上侧高速相机、下侧高速相机、俯视高速相机和水位计均连接至控制模块，由控制模块接收相机采集的图像信息、由水位计采集的水位信息和发送对相机采样的控制指令；所述相机支架、线阵列激光器、上侧激光标定复合板、下侧激光标定复合板也连接至控制模块，由控制模块控制相机支架、线阵列激光器沿滑轨的运动位置等运动情况；同时控制模块控制线阵列激光器的激光照明情况，控制上侧激光标定复合板、下侧激光标定复合板上面阵列激光器的照明情况。所述尾门由控制模块控制决定开度大小进而控制试验水槽内的水位变化情况，所述水泵由控制模块控制决定运转功率继而决定输入消能池的流量。

所述消能池与试验水槽水体自由连接，内部布置有用于消能的构筑物，在试验时根据消能效果需要另行选择布置消能构筑物；其中，消能池主要起消能及平稳水流作用，使来自进水管的水体平稳流入试验水槽。

所述尾门由控制模块控制，可在指令需求下灵活启闭并调整开度，用以在指定流量下作用于试验水槽调节蓄水及水流运动情况，从而控制水池水位变化。

所述丁坝模型可以单个丁坝或丁坝群的形式布置于试验水槽中，依托于不同长度、不同坝头的丁坝模型，满足试验中丁坝布置数量、丁坝长度需改变的适应工况；丁坝模型在坝根位置通过定位器与试验水槽密闭连接，同时可以在改变丁坝模型与侧壁所成角度的情况下固定定位器以满足试验中需改变丁坝与岸线夹角情况下的试验需求。所述定位器一端连接至试验水槽下侧壁，另一端允许丁坝模型垂向插入并在设计角度将丁坝模型予以固定锁死。

所述上侧激光标定复合板、下侧激光标定复合板为面阵列激光器布置构件，点激光器间区域绘制标准正方形方格形成正方形方格标定板，兼顾激光器和标定板作用；所述上侧激光标定复合板、下侧激光标定复合板与试验水槽上下侧壁连接均为可拆卸设计，可根据试验需求灵活设计安装有单侧复合板或空缺。所述点激光器在面区域规则布置称为面阵列激光器，在线区域规则布置称为线阵列激光器，所述面阵列激光器、线阵列激光器均根据控制模块指令亮起特定位置点激光器，用以照射水流中预先投放并随水流运动的示踪粒子，进而便于高速相机捕捉流速分布断面。另所述试验水槽各侧壁均为透明有机玻璃结构。

所述蓄水池与消能池、试验水槽通过水泵、进水管、出水管及尾门连接成一个密闭水循环体，在试验过程中水体可循环利用，并且每次试验在蓄水池中投放示踪粒子可持续循环、有效利用直至试验结束。

所述水泵为精密控制抽水量的精密泵机，在控制模块指令下将蓄水池中的水体经过进水管抽入消能池中，决定试验过程中的控制流量的变化情况。

一种用于模拟丁坝对水流作用的试验装置实现方法如下：

a.试验准备阶段

在试验开始前蓄水池中已准备好满足试验所需数量的水体，将示踪粒子人工撒入蓄水池中并搅拌均匀，使示踪粒子浓度满足激光照射下相机捕捉及后续软件分析需求；按照试验比尺设计选择合理丁坝模型，将试验所需数量的丁坝模型布置于试验段水池中，按照试验需求调整好各丁坝模型与试验水槽侧壁之间角度并采用定位器将丁坝模型予以固定锁死；结合试验对试验区水流平稳程度的要求情况，在消能区布置消能构筑物。另试验应在暗室中进行。至此，试验准备阶段工作完成。

b.基础试验操作过程

通过控制模块控制尾门开度大小及水泵运转流量大小，经消能池消能作用后，消能池中水流平顺流入试验水槽中，待水流平稳流动后即可开始试验，此时试验水槽中水流流量恒定，水位恒定，均达到此次试验设计值。在需要改变水位及流量时，仅需通过控制模块调节尾门开度大小及水泵抽取流量即可实现。其中，水位计实时将水位值反馈至控制模块。在进行完此试验过程后，作为教学实验即可在多角度下观察丁坝扰动下水体的运动情况及不同丁坝布置形式下水流宏观运动现象。

c.工况A试验过程：

此工况即为丁坝水流作用试验中水平断面流速分布试验精密试验过程，此时上侧激光标定复合板、下侧激光标定复合板均布置于预定位置，均无标定效果仅起光源作用。在控制模块控制下按照试验需求上侧激光标定复合板、下侧激光标定复合板上特定位置点激光器亮起，照射指定深度下的水体水平断面，通过两侧光源照射解决因丁坝布置遮掩产生的盲区、暗区无法观测捕捉的问题。在特定位置点激光器亮起形成特定行、特定列线光源照射水体水平断面即照射随水体运动的示踪粒子后，俯视高速相机开始工作，曝光背景为绘制有阵列正方形的底部标定板，俯视高速相机根据指令以特定曝光时间、特定时间频率实时拍摄捕捉示踪粒子随水体运动情况。相机将捕捉画面经由控制模块外传至外接电子计算机，采用专业粒子图像测量技术(PIV)分析软件进行实时分析处理，以示踪粒子为标定对象，精密捕捉记录水体中各处各点流速分布，实时反应水平断面流场分布情况。通过改变不同区域点激光器亮起位置，激光器可照射不同的深度水体，即可通过相机记录捕捉不同深度下水平断面流场分布情况，详细分析丁坝水流作用试验中水平断面流速分布情况。

d.工况B试验过程：

工况B试验过程分为第一过程B1和第二过程B2，B1工况即为丁坝水流作用试验中竖直断面流速分布试验精密试验第一过程，此时上侧激光标定复合板拆除，外侧间隔一定距离处支架上安装布置上侧高速相机；下侧激光标定复合板保持原位置不变。线阵列激光器根据控制模块指令沿滑轨运动至指定位置后亮起，作为光源照射对应竖直水体断面；在光源照射水体竖直断面并显著照射随水体运动的示踪粒子后，上侧高速相机开始工作，曝光背景为绘制有阵列正方形的下侧激光标定复合板。相机捕捉画面处理方法同上。通过改变线阵列激光器位置进而改变光源照射水体纵断面位置，上侧高速相机能够捕捉到断面范围中的不同竖直断面中水流流速分布情况。

工况B2试验过程即为丁坝水流作用试验中竖直断面流速分布试验精密试验第二过程，作为补充试验用以弥补工况B1中因丁坝遮掩产生的暗区、盲区内流场捕捉的不足。此时俯视高速相机可拆除用作它处使用，下侧激光标定复合板拆除，外侧间隔一定距离处支架上安装下侧高速相机，上侧激光标定复合板安装至设计位置。线阵列激光器受控运动情况与工况B1一致，在光源照射水体竖直断面并照射随水体运动的示踪粒子后，下侧高速相机开始工作，曝光背景为绘制有阵列正方形的上侧激光标定复合板。相机捕捉画面及处理方法同上。通过改变线阵列激光器位置进而改变照射位置获取工况B1中丁坝遮掩盲区内流场的捕捉情况，与工况B1获取试验结果共同比对分析得到完整的不同竖直断面中水流流速分布情况。

e.重复试验过程

根据试验需要设计并通过重复试验步骤a.b.c.d，即可得到不同设计水位、流量下，不同丁坝群布置形式下，不同丁坝淹没水深/非淹没条件下的丁坝水流作用情况，并通过高速相机拍照并连接外处理软件进而实时捕捉得到水体详细的水平、竖直断面流场分布情况，以便于后续详细记录及对比分析试验结果。

f.试验结束及器材整理

物理模型试验过程结束，关闭水泵，待消能池及试验水槽内水体沿出水管排入蓄水池后关闭尾门，拆除丁坝模型，整理试验器材，试验过程结束。

g.试验后处理

在现场试验完成的基础上，在设计丁坝模型布置情况下，在设计水位、流量下，通过分析工况A结果得到该试验变量下丁坝水流作用下所需水体水平断面流速分布，通过分析工况B结果得到该试验变量下丁坝水流作用下水体竖直断面流速分布情况。将上述实验结果整理即可结合试验目标进行进一步分析。

本发明的有益效果：

1、一种用于模拟丁坝对水流作用的试验装置，试验各部分结构设计紧凑、丁坝模型拆装方便、各构件连接可靠、整体实验装置实用性强。通过控制模块可以接收水位计传递水位信息，同时控制水泵、尾门运转，各类激光器照明及高速相机采集，避免了试验过程的繁琐步骤，实验构件集成化程度高，试验过程人力消耗少，试验效率高。

2、试验装置通过设置进水管和出水管将消能池、试验水槽与蓄水池连成整体，水体在试验过程中可循环使用，避免了循环投放示踪粒子步骤的同时实现循环用水，简化多次重复试验过程中的充水、排水操作，操作简便且节约用水，绿色环保，将试验成本降低；同时通过设置蓄水池实现试验装置的专水专用，耗水量小且对外界供水环境要求较低。

3、试验装置通过按照特定比尺进行物理模型试验设计，丁坝群模型采用可灵活拆卸设计，可根据试验需求灵活选用常规丁坝模型、丁顺坝模型、勾头丁坝等丁坝结构型式进行试验；丁坝模型与试验水槽衔接通过定位器密闭衔接，丁坝模型与试验水槽侧壁夹角可根据实验需求自由调节，在试验中通过定位器予以固定锁死，可灵活模拟上挑丁坝、正挑丁坝、下挑丁坝等丁坝或丁坝群布置形式下的水流运动情况；在丁坝模型确定的前提下，通过水泵-尾门耦合调节，可根据试验需求改变流量及水位值，模拟不同流速条件下、不同丁坝淹没水深/非淹没丁坝条件下的水流运动情况。一种用于模拟丁坝对水流作用的试验装置，通过相关结构设计，可精密适用各类工况，可模拟范围广泛。

4、试验装置测速采用粒子图像测速技术(PIV)，采用示踪粒子作为水体流动状态表征，在激光片光源照射下，利用高速相机连续捕捉时间序列图像传输至外接电子计算机，应用图像处理算法，得到粒子在图像上的位移，进而得到水流水平断面、竖直断面速度分布状况。试验装置引入粒子图像测速技术，精密获取丁坝水流作用过程中流场分布特征，较传统丁坝水流试验更具有代表性，微观流场特性观察分析也更为透彻，极大地提高了试验可信度并更为可靠地揭示了丁坝水流作用下的流场微观特性。

5、试验装置中采用预设标定板或标定板复合板的形式作为高速相机捕捉拍摄的标定板，无需另设标定板；试验装置中采用滑轨设计及可控激光器光源设计，可照射水体任一横纵断面并予以拍摄捕捉，用于进一步分析，便于达到试验观察获取流场分布特征的目的。

综上所述，本发明优选地采用采用集成化装置完成丁坝水流试验过程，引入粒子图像测速技术完成水体流速、流场捕捉分析过程，具有试验过程人力消耗少，自动化程度高，试验效率高，试验成本低廉，节能环保，可适用工况范围广，试验精度高，试验设计显著优于传统丁坝水流作用物理模型试验设计等优点。

附图说明

图1是本发明的示意图；

图2是水平断面流速分布试验(工况A)示意图；

图3是竖直断面流速分布试验(工况B1)示意图；

图4是竖直断面流速分布试验(工况B2)示意图；

图5是上/下侧激光标定复合板示意图；

图6是底部标定板示意图；

图7是丁坝模型安装示意图；

1.进水管，2.消能池，3.水位计，4.线阵列激光器，5.上侧高速相机，6.上侧激光标定复合板，7.滑轨，8.试验水槽，9.尾门，10.出水管，11.相机支架，12.丁坝模型，13.定位器，14.下侧高速相机，15.下侧激光标定复合板，16.俯视高速相机，17.滑轨支架，18.支架，19.底部标定板，20.点激光器，21.蓄水池，22.水泵。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施实例。

一种用于模拟丁坝对水流作用的试验装置，结构示意如图1所示，由试验模块、光源模块、数据采集模块和控制模块构成。

试验模块包含有进水管1、消能池2、试验水槽8、尾门9、出水管10、丁坝模型12、定位器13、蓄水池21和水泵22：进水管1一侧通过水泵22连接至蓄水池21，进水管1另一侧与消能池2相连；消能池2与试验水槽8水体相互连通成一个整体，；试验水槽8前段与消能池2连接成一个整体，后段通过尾门9连接至出水管10，试验水槽8内部布置有多个丁坝模型12；出水管10前端通过尾门9与试验水槽8相连，出水管10后端连接至蓄水池21中；丁坝模型12以单个丁坝或丁坝群的形式布置于试验水槽8中，另如图7所示，丁坝模型12坝根位置贯穿设置有定位器13，使丁坝模型12与试验水槽8临近侧侧壁密闭连接。

光源模块由线阵列激光器4、上侧激光标定复合板6、滑轨7、下侧激光标定复合板15、滑轨支架17、底部标定板19组成：线阵列激光器4与滑轨支架17一并布置于滑轨7上，用以形成线光源照射所需观察的水流纵断面；滑轨7上部架设有线阵列激光器4和相机支架11，下部通过滑轨支架17固定于试验水槽8上方；上侧激光标定复合板6、下侧激光标定复合板15分别安装布置于试验水槽8上下两侧的侧壁外侧上，可灵活拆卸，结构如图5所示；底部标定板19位于试验水槽8底部壁面的外侧，样式如图6所示。

数据采集模块由上侧高速相机5、下侧高速相机14、相机支架11、俯视高速相机16、支架18和水位计3组成：水位计3安装于消能池2与试验水槽8之间的水流平稳、水位恒定区段；相机支架11上安装有俯视高速相机16，相机支架11根据输入指令可沿滑轨7运动至预定位置，俯视高速相机16可观察记录试验水槽8水平断面流速分布；上侧高速相机5安放于试验水槽8试验段外侧，与上侧激光标定复合板6不同时布置，在线阵列激光器4照射下观察记录丁坝群上部区域纵断面流速分布特征；下侧高速相机14与上侧高速相机5原理布置相同且呈对称布置，用以补充观察记录上侧高速相机5盲区范围内的纵断面流速分布。

控制模块对各可控构件起控制作用：控制模块接收相机(上侧高速相机5、下侧高速相机14、俯视高速相机16)采集的图像信息、由水位计3采集的水位信息和发送对相机(上侧高速相机5、下侧高速相机14、俯视高速相机16)采样的控制指令；控制模块控制相机支架11、线阵列激光器4沿滑轨7的运动情况；同时控制模块控制线阵列激光器4的激光照明情况，控制上侧激光标定复合板6、下侧激光标定复合板14上面阵列激光器20的照明情况。控制模块控制尾门9决定开度大小进而控制试验水槽8内的水位变化情况；控制模块通过控制水泵22运转功率继而决定输入消能池2的进水流量。

一种用于模拟丁坝对水流作用的试验装置实现方法如下：

a.试验准备阶段

在试验开始前蓄水池21中已准备好满足试验所需数量的水体，将示踪粒子人工撒入蓄水池21中并搅拌均匀，使示踪粒子浓度满足激光照射下相机捕捉及后续软件分析需求；按照比尺需求设计试验并选择合适的丁坝模型12，将试验所需数量的丁坝模型12布置于试验段水池8中，按照试验需求调整好各丁坝模型12与试验水槽8侧壁之间角度并采用定位器13将丁坝模型12予以固定锁死；结合试验对试验区水流的平稳程度要求情况，在消能池2中布置消能构筑物。试验在暗室中进行。至此，试验准备阶段工作完成。

b.基础试验操作过程

通过控制模块控制尾门9开度大小及水泵22运转流量大小，经消能池2中消能构筑物消能后消能池2中水流平顺流入试验水槽8中，待水流输入稳定后即可开始试验，此时试验水槽8中水流流量恒定，水位恒定，均达到此次试验设计值。在需要改变试验水位及流量时，仅需通过控制模块调节尾门9开度大小及水泵22抽取流量予以实现。其中，水位计3实时将水位值反馈至控制模块。在进行完此试验过程后，作为教学实验即可在多角度下观察丁坝扰动下水体的运动情况及不同丁坝布置形式下水流宏观运动现象。

c.工况A试验过程：

此工况即为丁坝水流作用试验中水平断面流速分布试验精密试验过程，如图2所示，此时上侧激光标定复合板6、下侧激光标定复合板15均布置于预定位置，均无标定效果仅起光源作用。在控制模块控制下按照试验需求上侧激光标定复合板6、下侧激光标定复合板15上特定位置点激光器20亮起，照射指定深度下的水体水平断面，通过两侧光源照射解决因丁坝布置遮掩产生的盲区、暗区无法观测捕捉的问题。在特定位置点激光器20亮起形成特定行、特定列线光源照射水体水平断面即照射随水体运动的示踪粒子后，俯视高速相机16开始工作，曝光背景为绘制有阵列正方形的底部标定板19，俯视高速相机16根据指令以特定曝光时间、特定时间频率实时拍摄捕捉示踪粒子随水体运动情况。相机将捕捉画面经由控制模块外传至外接电子计算机，采用专业粒子图像测量技术(PIV)分析软件进行实时分析处理，以示踪粒子为标定对象，精密捕捉记录水体中各处各点流速分布，实时反应水平断面流场分布情况。通过改变不同区域点激光器20亮起位置，点激光器20形成照射光束可照射不同的深度水体，即可通过相机记录捕捉不同深度下水平断面流场分布情况，详细分析丁坝水流作用试验中水平断面流速分布情况。

d.工况B试验过程：

工况B试验过程分为第一过程B1和第二过程B2，B1工况即为丁坝水流作用试验中竖直断面流速分布试验精密试验第一过程，如图3所示，此时上侧激光标定复合板6拆除，外侧间隔一定距离处支架18上安装布置上侧高速相机5；下侧激光标定复合板15保持原位置不变。线阵列激光器4根据控制模块指令沿滑轨7运动至指定位置后亮起，作为光源照射对应竖直水体断面；在光源照射水体竖直断面并照射随水体运动的示踪粒子后，上侧高速相机5开始工作，曝光背景为绘制有阵列正方形的下侧激光标定复合板15。相机捕捉画面处理方法同上。通过改变线阵列激光器4位置进而改变光源照射水体纵断面位置，上侧高速相机5捕捉到断面范围中的不同竖直断面中水流流速分布情况。

工况B2试验过程即为丁坝水流作用试验中竖直断面流速分布试验精密试验第二过程，作为补充试验用以弥补工况B1中因丁坝遮掩产生的暗区、盲区内流场捕捉的不足。如图4所示，此时俯视高速相机16可拆除用作它处使用，下侧激光标定复合板15拆除，外侧间隔一定距离处支架18上安装下侧高速相机14，上侧激光标定复合板6安装至设计位置。线阵列激光器4受控运动情况与工况B1一致，在光源照射水体竖直断面并照射随水体运动的示踪粒子后，下侧高速相机14开始工作，曝光背景为绘制有阵列正方形的上侧激光标定复合板6。相机捕捉画面及处理方法同上。通过改变线阵列激光器4位置进而改变照射位置获取工况B1中丁坝遮掩盲区内流场的捕捉情况，与工况B1获取试验结果共同比对分析得到完整的不同竖直断面中水流流速分布情况。

e.重复试验过程

根据试验需要设计并通过重复试验步骤a.b.c.d，即可得到不同设计水位、流量下，不同丁坝群布置形式下，不同丁坝淹没水深/非淹没条件下的丁坝水流作用情况，并通过高速相机拍照示踪粒子并连接外处理软件进而实时捕捉得到水体详细的水平、竖直断面流场分布情况，以便于后续详细记录及对比分析试验结果。

f.试验结束及器材整理

物理模型试验过程结束，关闭水泵22，待消能池2及试验水槽8内水体沿出水管排入蓄水池21后关闭尾门，拆除丁坝模型12，整理试验器材，试验过程结束。

g.试验后处理

在现场试验完成的基础上，在设计丁坝模型12布置情况下，在设计水位、流量下，通过分析工况A结果得到该试验变量下丁坝水流作用下所需水体水平断面流速分布，通过分析工况B结果得到该试验变量下丁坝水流作用下水体竖直断面流速分布情况。将上述实验结果整理即可结合试验目标进行进一步分析。

Claims (5)

1.一种用于模拟丁坝对水流作用的试验装置，其特征在于由试验模块、光源模块、数据采集模块和控制模块构成；

所述试验模块包含有进水管、消能池、试验水槽、尾门、出水管、丁坝模型、定位器、蓄水池和水泵：进水管一侧通过水泵连接至蓄水池，进水管另一侧与消能池相连；消能池与试验水槽水体相互连通成一个整体；试验水槽前段与消能池连接成一个整体，后段通过尾门连接至出水管，试验水槽内部布置有多个丁坝模型；出水管前端通过尾门与试验水槽相连，出水管后端连接至蓄水池中；丁坝模型布置于试验水槽中；

光源模块由线阵列激光器、上侧激光标定复合板、滑轨、下侧激光标定复合板、滑轨支架、底部标定板组成：线阵列激光器与滑轨支架一并布置于滑轨上，用以形成线光源照射所需观察的水流纵断面；滑轨上部架设有线阵列激光器和相机支架，下部通过滑轨支架固定于试验水槽上方；上侧激光标定复合板、下侧激光标定复合板分别安装布置于试验水槽上下两侧的侧壁外侧上，底部标定板位于试验水槽底部壁面的外侧，

数据采集模块由上侧高速相机、下侧高速相机、相机支架、俯视高速相机、支架和水位计组成：水位计安装于消能池与试验水槽之间的水流平稳、水位恒定区段；相机支架上安装有俯视高速相机，相机支架根据输入指令可沿滑轨运动至预定位置，俯视高速相机观察记录试验水槽水平断面流速分布；上侧高速相机安放于试验水槽试验段外侧，在线阵列激光器照射下观察记录丁坝群上部区域纵断面流速分布特征；下侧高速相机与上侧高速相机原理布置相同且呈对称布置，用以补充观察记录上侧高速相机盲区范围内的纵断面流速分布；

控制模块接收上侧高速相机、下侧高速相机、俯视高速相机采集的图像信息和由水位计采集的水位信息；控制模块控制相机支架、线阵列激光器沿滑轨的运动情况；同时控制模块控制线阵列激光器的激光照明情况，控制上侧激光标定复合板、下侧激光标定复合板上面阵列激光器的照明情况，控制模块控制尾门决定开度大小进而控制试验水槽内的水位变化情况；控制模块通过控制水泵运转功率继而决定输入消能池的进水流量。

2.根据权利要求1所述的一种用于模拟丁坝对水流作用的试验装置，其特征在于：所述上侧激光标定复合板、下侧激光标定复合板为复合功能构件，在点激光器间区域绘制标准正方形方格形成正方形方格标定板，兼顾激光器和标定板作用。

3.根据权利要求1所述的一种用于模拟丁坝对水流作用的试验装置，其特征在于：所述丁坝模型以单个丁坝或丁坝群的形式布置于试验水槽中，丁坝模型在坝根位置通过定位器与试验水槽密闭连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于模拟丁坝对水流作用的试验装置，其特征在于：所述定位器一端固定至试验水槽下侧壁，另一端允许丁坝模型垂向插入并在设计角度将丁坝模型予以固定锁死。

5.根据权利要求1所述的用于模拟丁坝对水流作用的试验装置的试验方法，其特征在于方法如下：

a. 试验准备阶段

在试验开始前蓄水池中已准备好满足试验所需数量的水体，将示踪粒子人工撒入蓄水池中并搅拌均匀，使示踪粒子浓度满足激光照射下相机捕捉及后续软件分析需求；按照比尺需求设计试验并选择合适的丁坝模型，将试验所需数量的丁坝模型布置于试验段水池中，按照试验需求调整好各丁坝模型与试验水槽侧壁之间角度并采用定位器将丁坝模型予以固定锁死；结合试验对试验区水流的平稳程度要求情况，在消能池中布置消能构筑物，试验在暗室中进行；

b.基础试验操作过程

通过控制模块控制尾门开度大小及水泵运转流量大小，经消能池中消能构筑物消能后消能池中水流平顺流入试验水槽中，待水流输入稳定后即可开始试验，此时试验水槽中水流流量恒定，水位恒定，均达到此次试验设计值，在需要改变试验水位及流量时，仅需通过控制模块调节尾门开度大小及水泵抽取流量予以实现，其中，水位计实时将水位值反馈至控制模块，在进行完此试验过程后，作为教学实验即可在多角度下观察丁坝扰动下水体的运动情况及不同丁坝布置形式下水流宏观运动现象；

c．工况A试验过程：

此工况即为丁坝水流作用试验中水平断面流速分布试验精密试验过程，此时上侧激光标定复合板、下侧激光标定复合板均布置于预定位置，均无标定效果仅起光源作用，在控制模块控制下按照试验需求上侧激光标定复合板、下侧激光标定复合板上特定位置点激光器亮起，照射指定深度下的水体水平断面，通过两侧光源照射解决因丁坝布置遮掩产生的盲区、暗区无法观测捕捉的问题，在特定位置点激光器亮起形成特定行、特定列线光源照射水体水平断面即照射随水体运动的示踪粒子后，俯视高速相机开始工作，曝光背景为绘制有阵列正方形的底部标定板，俯视高速相机根据指令以特定曝光时间、特定时间频率实时拍摄捕捉示踪粒子随水体运动情况，相机将捕捉画面经由控制模块外传至外接电子计算机，采用粒子图像测量技术进行实时分析处理，以示踪粒子为标定对象，精密捕捉记录水体中各处各点流速分布，实时反应水平断面流场分布情况，通过改变不同区域点激光器亮起位置，点激光器形成照射光束可照射不同的深度水体，即可通过相机记录捕捉不同深度下水平断面流场分布情况，详细分析丁坝水流作用试验中水平断面流速分布情况；

d．工况B试验过程：

工况B试验过程分为第一过程B1和第二过程B2，B1工况即为丁坝水流作用试验中竖直断面流速分布试验精密试验第一过程，此时上侧激光标定复合板拆除，外侧间隔一定距离处支架上安装布置上侧高速相机；下侧激光标定复合板保持原位置不变，线阵列激光器根据控制模块指令沿滑轨运动至指定位置后亮起，作为光源照射对应竖直水体断面；在光源照射水体竖直断面并照射随水体运动的示踪粒子后，上侧高速相机开始工作，曝光背景为绘制有阵列正方形的下侧激光标定复合板，相机捕捉画面，通过改变线阵列激光器位置进而改变光源照射水体纵断面位置，上侧高速相机捕捉到断面范围中的不同竖直断面中水流流速分布情况；

工况B2试验过程即为丁坝水流作用试验中竖直断面流速分布试验精密试验第二过程，作为补充试验用以弥补工况B1中因丁坝遮掩产生的暗区、盲区内流场捕捉的不足，此时俯视高速相机拆除，下侧激光标定复合板拆除，外侧间隔一定距离处支架上安装下侧高速相机，上侧激光标定复合板安装至设计位置，线阵列激光器受控运动情况与工况B1一致，在光源照射水体竖直断面并照射随水体运动的示踪粒子后，下侧高速相机开始工作，曝光背景为绘制有阵列正方形的上侧激光标定复合板，相机捕捉画面，通过改变线阵列激光器位置进而改变照射位置获取工况B1中丁坝遮掩盲区内流场的捕捉情况，与工况B1获取试验结果共同比对分析得到完整的不同竖直断面中水流流速分布情况；

e.重复试验过程

根据试验需要设计并通过重复试验步骤a.b.c.d，即可得到不同设计水位、流量下，不同丁坝群布置形式下，不同丁坝淹没水深/非淹没条件下的丁坝水流作用情况，并通过高速相机拍照示踪粒子并连接外处理软件进而实时捕捉得到水体详细的水平、竖直断面流场分布情况，以便于后续详细记录及对比分析试验结果，

f.试验结束及器材整理

物理模型试验过程结束，关闭水泵，待消能池及试验水槽内水体沿出水管排入蓄水池后关闭尾门，拆除丁坝模型，整理试验器材，试验过程结束，

g．试验后处理

在现场试验完成的基础上，在设计丁坝模型布置情况下，在设计水位、流量下，通过分析工况A结果得到该试验变量下丁坝水流作用下所需水体水平断面流速分布，通过分析工况B结果得到该试验变量下丁坝水流作用下水体竖直断面流速分布情况。