CN108398236A - 斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量方法与系统，所述方法包括：分别采集目标斜管式沉沙池内多个测点处的单点三维瞬时流速、单点浊度信息以及各所述测点至池底沉沙表面的垂直距离信息；基于所述单点三维瞬时流速，分别计算各所述测点在三个对应维度方向的两相流流场信息，并基于所述单点浊度信息和所述垂直距离信息，计算所述目标斜管式沉沙池内的泥沙运移特性；其中，各所述测点是通过在所述目标斜管式沉沙池中的所述三个对应维度方向上分别设置多个测量断面选取的。本发明能够有效测量斜管式沉沙池的完整水沙两相流流场信息与泥沙运移特性，从而为斜管式沉沙池结构形式的进一步优化提供更可靠的技术依据。
Description
技术领域
本发明涉及信息检测与处理技术领域，更具体地，涉及一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量方法与系统。
背景技术
斜管式沉沙池以其占地面积小、沉沙效率高等的独特优势，在中小型水厂、微喷灌灌溉等系统中被广泛应用。但是，由于斜管式沉沙池结构复杂，无法观测不同设计结构参数条件下的池内水沙两相流流场与泥沙运移特性，从而严重影响相关研究学者对斜管式沉沙池结构型式的进一步优化。
目前，在流速测量方面，较常用且效果较理想的设备是声学多谱勒流速仪。声学多谱勒流速仪是利用超声波信号进行流速测量的，在低浓度含沙水流中，超声波信号衰减较小，能够实现流速的长时间连续测量，测量精度也相对较高。而对含沙量的测量，目前应用较广泛的方法是光电法，即利用Bear理论和光在介质中的吸收和散射作用，以消光度推求泥沙浓度。其主要优点是操作简单，能够快速、实时、连续地进行测量，且基本不受天气条件的制约。
现有技术公开了一种利用声学多普勒流速仪测量水流脉动时输出的平均信号强度和脉动信号强度，同时利用泥沙采样装置实现泥沙溶液的准确取样和平均浓度值的确定，进而获取泥沙浓度和水流脉动速度的同步信息的方法。但是该方法仅实现了对水流中单个测点的泥沙浓度与水流脉动速度的测量，且测得的水流脉动速度仅为一个标量数值，不能体现测点的水流流向信息。同时该方法也无法测量流场底部泥沙淤积数据，因此无法得到完整的水沙两相流流场与泥沙运移信息。
另一种方法中通过在河道上方固定安装的雷达测流仪实现对河道固定断面上多个测量点的多点测流作业。但是该方法仅能对固定断面上的多个测量点流速进行测量，同样无法测得测点的水流流向信息与测量流场底部泥沙淤积数据，从而无法获得完整的水沙两相流流场与泥沙运移信息，进而不能为斜管式沉沙池结构型式的进一步优化提供可靠性依据。
发明内容
为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量方法与系统，用以有效测量不同设计形式条件下斜管式沉沙池的完整水沙两相流流场信息与泥沙运移特性，从而为斜管式沉沙池结构形式的进一步优化提供可靠性技术依据。
一方面，本发明提供一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量方法，包括：S1，分别采集目标斜管式沉沙池内多个测点处的单点三维瞬时流速、单点浊度信息以及各所述测点至池底沉沙表面的垂直距离信息；S2，基于所述单点三维瞬时流速，分别计算各所述测点在三个对应维度方向的两相流流场信息，并基于所述单点浊度信息和所述垂直距离信息，计算所述目标斜管式沉沙池内的泥沙运移特性；其中，各所述测点是通过在所述目标斜管式沉沙池中的所述三个对应维度方向上分别设置多个测量断面选取的。
其中，步骤S1中所述单点三维瞬时流速具体包含所述三个对应维度方向分别对应的单点单向瞬时流速；步骤S2中所述两相流流场信息具体包含瞬时流速、时均流速、湍流流速、断面平均流速、相对紊动强度和相对雷诺切应力；相应的，步骤S2中所述基于所述单点三维瞬时流速，分别计算各所述测点在三个对应维度方向的两相流流场信息的步骤进一步包括：分别在所述三个对应维度方向上，按如下步骤计算各维度方向上的两相流流场信息：分别基于各所述测点的单点单向瞬时流速和采集时间序列内的流速采样数量，计算各所述测点的单向时均流速，并基于各所述测点的所述单向时均流速和所述单点单向瞬时流速，计算各所述测点的湍流流速；基于对应维度方向上所述测量断面中各测点的单向时均流速，以及对应的所述测量断面的横截面积，计算对应维度方向上各所述测量断面对应的单向测量断面平均流速；基于所述单向测量断面平均流速、所述采集时间序列内的流速采样数量、所述单向时均流速和所述单点单向瞬时流速，计算单向相对紊动强度，并结合切向维度方向上的单向时均流速和单点单向瞬时流速，计算相对所述切向维度方向的相对雷诺切应力。
其中，步骤S2中所述泥沙运移特性具体包含泥沙浓度信息和池底泥沙淤积厚度信息；相应的，步骤S2中所述基于所述单点浊度信息和所述垂直距离信息，计算所述目标斜管式沉沙池内的泥沙运移特性的步骤进一步包括：基于所述单点浊度信息，利用预先拟合获取的换算公式，计算所述泥沙浓度信息；并基于所述采集时间序列内的流速采样数量、所述垂直距离信息、所述测点处水面相对所述目标斜管式沉沙池底部的高度以及所述测点至水面的垂直距离，计算各所述测点对应的池底泥沙淤积厚度信息。
其中，所述S1的步骤进一步包括：利用声学三维多普勒流速仪，分别采集预先设置的各所述测点处的所述单点三维瞬时流速和所述垂直距离信息，并利用光学散射浊度计，分别采集各所述测点处的所述单点浊度信息。
进一步的，在所述基于所述单点浊度信息，利用预先拟合获取的换算公式，计算所述泥沙浓度信息的步骤之前，所述方法还包括：采集所述目标斜管式沉沙池中的水样样本，并通过比对所述水样样本的样本浊度信息和实际浓度信息，拟合所述换算公式；其中，所述样本浊度信息是利用所述光学散射浊度计测量所述水样样本获取的。
进一步的，在所述S1的步骤之前，所述方法还包括：按各所述测点的实际三维坐标信息设置数据采集中对应测点的测点位置参数，并分别对所述声学三维多普勒流速仪和所述光学散射浊度计的采样参数进行设定。
进一步的，在所述S1的步骤之前，所述方法还包括：设定所述声学三维多普勒流速仪所测量信号的信噪比阈值、相关系数阈值以及数据存储预设条件，用以当判断获知对所述测点的测量信号质量表征值大于所述信噪比阈值和所述相关系数阈值，并且所述声学三维多普勒流速仪的测量过程参数达到所述数据存储预设条件时，自动记录所采集到的数据。
其中，通过在所述目标斜管式沉沙池中的所述三个对应维度方向上分别设置多个测量断面，选取各所述测点的步骤包括：在所述目标斜管式沉沙池内，分别沿水流径向方向和水流平行方向按对应给定间距布置多个径向垂直测量断面和垂向垂直测量断面，并沿水深方向布置多个纵向水平测量断面，则选取所述径向垂直测量断面、所述垂向垂直测量断面和所述纵向水平测量断面的交点作为所述测点。
另一方面，本发明提供一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量系统，包括：数据采集单元，用于分别采集目标斜管式沉沙池内多个测点处的单点三维瞬时流速、单点浊度信息以及各所述测点至池底沉沙表面的垂直距离信息；数据处理单元，用于基于所述单点三维瞬时流速，分别计算各所述测点在三个对应维度方向的两相流流场信息，并基于所述单点浊度信息和所述垂直距离信息，计算所述目标斜管式沉沙池内的泥沙运移特性；其中，各所述测点是通过在所述目标斜管式沉沙池中的所述三个对应维度方向上分别设置多个测量断面选取的。
其中，所述数据采集单元具有用于：利用声学三维多普勒流速仪，分别采集预先设置的各所述测点处的所述单点三维瞬时流速和所述垂直距离信息，并利用光学散射浊度计，分别采集各所述测点处的所述单点浊度信息；所述系统还包括：控制设置单元，用于按各所述测点的实际三维坐标信息设置数据采集中对应测点的测点位置参数，并分别对所述声学三维多普勒流速仪和所述光学散射浊度计的采样参数进行设定。
本发明提供的一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量方法与系统，通过对目标斜管式沉沙池内不同测点的浊度值、三维方向上的瞬时流速以及距离的测量，并通过统计计算，能够有效获取不同设计形式条件下斜管式沉沙池的完整水沙两相流流场信息与泥沙运移特性，从而为斜管式沉沙池的进一步优化提供可靠技术依据。
附图说明
图1为本发明实施例一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量方法的流程图；
图2为根据本发明实施例一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量方法中选取测点的示意图；
图3为根据本发明实施例一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量方法中计算两相流流场信息的流程图；
图4为本发明实施例一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量系统的结构示意图；
图5为本发明实施例另一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量系统的结构示意图；
图6为根据本发明实施例一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量方法中斜管式沉沙池的结构示意图；
图7为本发明实施例一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量装置的结构框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
作为本发明实施例的一个方面，本实施例提供一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量方法，参考图1，为本发明实施例一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量方法的流程图，包括：
S1，分别采集目标斜管式沉沙池内多个测点处的单点三维瞬时流速、单点浊度信息以及各所述测点至池底沉沙表面的垂直距离信息。其中，各所述测点是通过在所述目标斜管式沉沙池中的三个对应维度方向上分别设置多个测量断面选取的。
可以理解为，本实施例在目标斜管式沉沙池整体空间范围内的多个位置点设置数据采集点，即测点。其中，考虑到针对目标斜管式沉沙池测得的数据的完整性和均匀性，在选取各测点时，通过分别在水流径向、垂向和纵向上设置多个测量界面，并根据各测量界面的位置关系选取各测点。
则，分别针对各个测点，采集该测点对应的三维瞬时流速信息、浊度信息以及该测点距离池底沉沙表面的垂直距离信息。考虑到针对各个测点测得的数据是相对该单个测点的，因此为了更直观的表述，上述数据信息分别对应表示为：单点三维瞬时流速、单点浊度信息和单点对应的垂直距离信息。
其中，单点三维瞬时流速是指该测点的实际瞬时流速矢量分别在对应三个维度方向上的投影，即通过测点的三维瞬时流速确定的是该测点实际的瞬时流速矢量。因此，该流速信息不仅表征了对应测点的流速大小，而且表征了对应测点的水流流向信息。
其中，测点距离池底沉沙表面的垂直距离信息可以通过传感器测取的与池底沉沙表面的垂直距离得到。
其中，在一个实施例中，通过在所述目标斜管式沉沙池中的所述三个对应维度方向上分别设置多个测量断面，选取各所述测点的步骤包括：在所述目标斜管式沉沙池内，分别沿水流径向方向和水流平行方向按对应给定间距布置多个径向垂直测量断面和垂向垂直测量断面，并沿水深方向布置多个纵向水平测量断面，则选取所述径向垂直测量断面、所述垂向垂直测量断面和所述纵向水平测量断面的交点作为所述测点。
可以理解为，如图2所示，为根据本发明实施例一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量方法中选取测点的示意图。其中，图2(a)为斜管式沉沙池流场测量测点布置俯视图，图2(b)为斜管式沉沙池流场测量测点布置剖视图。由图2(a)可见，从目标斜管式沉沙池前墙后开始到后墙，沿水流径向方向按照第一设定间距布置多个垂直测量断面，即径向垂直测量断面。径向垂直测量断面既垂直于水平面又垂直于水流方向。其中的径向垂直测量断面可沿水流径向方向均匀布置。其中的一个实施例中，分别在调流板和斜管区挡墙的前、后各加密一个径向垂直测量断面，共加密四个。
同时，在平行水流方向上，按照第二设定间距布置多个垂直测量断面，即垂向垂直测量断面。垂向垂直测量断面垂直于水平面并平行于水流方向。沿水深方向上，参考图2(b)由水底向上布置多个水平测量断面，即纵向水平测量断面。其中多个纵向水平测量断面沿水深方向平行布置。
根据上述测量断面布置，任意一组径向垂直测量断面、垂向垂直测量断面和纵向水平测量断面能够交于一个确定的点，则选取各组如上述的三截面组合确定的点为测点。
S2，基于所述单点三维瞬时流速，分别计算各所述测点在三个对应维度方向的两相流流场信息，并基于所述单点浊度信息和所述垂直距离信息，计算所述目标斜管式沉沙池内的泥沙运移特性。
可以理解为，根据上述步骤测得的各测点三维瞬时流速，表征的是三个对应维度方向上的瞬时流速，则为了计算方便，分别在三个对应维度方向上进行两相流流场信息的计算。例如，对于三个对应维度方向分别为径向、垂向和纵向的情况，分别计算各测点的两相流流场信息矢量在径向、垂向和纵向方向上的投影分量。最终三个投影方向上的流场信息分量确定测点的实际流场信息矢量。
同时，根据上述步骤测得的是测点的浊度信息，以及测点距离池底沉沙表面的垂直距离信息，不能准确表征目标斜管式沉沙池内的泥沙运移特性，需要根据二者进行泥沙运移特性特征值转换，得到能够准确表征目标斜管式沉沙池内的泥沙运移特性的物理量。
本发明实施例提供的一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量方法，通过对目标斜管式沉沙池内不同测点的浊度值、三维方向上的瞬时流速以及测点对应距离的测量，以及统计计算，能够有效获取不同设计形式条件下斜管式沉沙池的完整水沙两相流流场信息与泥沙运移特性，从而为斜管式沉沙池的进一步优化提供可靠性技术依据。
其中可选的，所述S1的步骤进一步包括：利用声学三维多普勒流速仪，分别采集预先设置的各所述测点处的所述单点三维瞬时流速和所述垂直距离信息，并利用光学散射浊度计，分别采集各所述测点处的所述单点浊度信息。
可以理解为，在根据上述实施例进行各测点单点三维瞬时流速、单点浊度信息以及各所述测点至池底沉沙表面的垂直距离信息的测量时，通过预先在目标斜管式沉沙池全流场中设置各测点，并利用声学三维多普勒流速仪和光学散射浊度计分别采集各测点的数据实现。
其中，也可以通过预先在各测点布置的声学三维多普勒流速仪和光学散射浊度计实现上述数据采集。
具体的，利用声学三维多普勒流速仪不仅可以测量测点处三维瞬时流速，而且可以利用相应传感器测量传感器至池底沉沙表面的垂直距离信息。由于传感器在测量对应测点处的数据时，传感器被布置在对应测点处，则传感器所测得的垂直距离信息也可以用来表征对应测点至池底沉沙表面的垂直距离信息。同时，利用光学散射浊度计，分别测量各对应测点处的浊度值，即对应测点对应的单点浊度信息。
应当理解的是，浊度是指水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度。光学散射浊度计采用比例浊度法测量，取散射光与透射光之比测量液体浊度。
本发明实施例提供的一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量方法，基于声学三维多普勒流速仪和光学散射浊度计实现对斜管式沉沙池内不同测点的水流流速流向与泥沙浓度、池底泥沙淤积深度的测量，通过对测量数据统计分析，能够获得斜管式沉沙池完整的水沙两相流全流场信息与泥沙运移特性，数据更直观，更准确。
其中，在一个实施例中，在所述S1的步骤之前，所述方法还包括：按各所述测点的实际三维坐标信息设置数据采集中对应测点的测点位置参数，并分别对所述声学三维多普勒流速仪和所述光学散射浊度计的采样参数进行设定。
可以理解为，在根据上述实施例进行数据采集之前，需要预先对数据采集过程参数和测量仪器工作参数，即采样参数，进行设定。具体主要对以下信息进行预先设置：
(1)斜管式沉沙池流场内各测点位置参数。其中，流场测点位置信息以三维坐标参数形式输入，输入参数时以起始测点作为三维坐标轴原点，以此为基准，输入其他测点的三维坐标参数。
(2)声学三维多普勒流速仪采样参数。包括对采样频率、采样速度幅值、测点水体直径以及测点采样时间的设置。例如，可针对声学三维多普勒流速仪设定以下参数：采样频率：40、80、160、200Hz；采样速度幅值：0.01、0.03、0.10、0.50、1.00、2.00、4.00m/s；测点水体直径：3、5、7、9mm；测点采样时间：根据实际需求输入。
(3)光学散射浊度计采样参数。包括对采样频率、泥沙浓度幅值、测点水体直径以及测点采样时间的设置。例如，可针对光学散射浊度计设定以下参数：采样频率：2、6、12、30Hz；测点水体直径：3、5、7、9mm；泥沙浓度幅值：5、10、20、30、40、50kg/m3；测点采样时间：根据实际需求输入。
本发明实施例提供的一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量方法，通过预先对测量过程参数的设定，能够使声学三维多普勒流速仪和光学散射浊度计根据测量前输入的测点坐标信息，依次自动对斜管式沉沙池中各测点水流流速流向与泥沙浓度、池底泥沙淤积深度数据进行测量，避免人工操作带来的误差，并且能有效提高斜管式沉沙池全流场信息的采集效率。
其中，在另一个实施例中，在所述S1的步骤之前，所述方法还包括：设定所述声学三维多普勒流速仪所测量信号的信噪比阈值、相关系数阈值以及数据存储预设条件，用以当判断获知对所述测点的测量信号质量表征值大于所述信噪比阈值和所述相关系数阈值，并且所述声学三维多普勒流速仪的测量过程参数达到所述数据存储预设条件时，自动记录所采集到的数据。
可以理解为，在进行数据采集时，为了避免引入噪声数据或无效数据，在进行数据测量之前，还有必要对数据校准参数进行设置。具体为，声学三维多普勒流速仪的测量信号质量由传感器测量信号的信噪比和相关系数来表征。测量开始前，设定测量用信噪比阈值和相关系数阈值，为信噪比与相关系数的最小允许值，同时设定数据存储预设条件，例如设为持续5s。则在测量过程中，当测点信号质量的信噪比标注值和相关系数表征值连续5s均对应大于信噪比阈值和相关系数阈值时，系统自动开始存储所采集的数据。
其中，若测点信号质量的信噪比表征值和相关系数表征值未达到上述阈值时，传感器通过自动调节超声波频率提升测量信号质量，当达到设定值后再开始存储采集数据。其中上述各阈值可根据测量场地实际情况设定。
其中可选的，步骤S1中所述单点三维瞬时流速具体包含所述三个对应维度方向分别对应的单点单向瞬时流速；步骤S2中所述两相流流场信息具体包含瞬时流速、时均流速、湍流流速、断面平均流速、相对紊动强度和相对雷诺切应力；
相应的，步骤S2中所述基于所述单点三维瞬时流速，分别计算各所述测点在三个对应维度方向的两相流流场信息的步骤进一步包括：分别在三个对应维度方向上，按如图3所示的步骤计算各维度方向上的两相流流场信息，图3为根据本发明实施例一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量方法中计算两相流流场信息的流程图，包括：
S21，分别基于各所述测点的单点单向瞬时流速和采集时间序列内的流速采样数量，计算各所述测点的单向时均流速，并基于各所述测点的所述单向时均流速和所述单点单向瞬时流速，计算各所述测点的湍流流速；
S22，基于对应维度方向上所述测量断面中各测点的单向时均流速，以及对应的所述测量断面的横截面积，计算对应维度方向上各所述测量断面对应的单向测量断面平均流速；
S23，基于所述单向测量断面平均流速、所述采集时间序列内的流速采样数量、所述单向时均流速和所述单点单向瞬时流速，计算单向相对紊动强度，并结合切向维度方向上的单向时均流速和单点单向瞬时流速，计算相对所述切向维度方向的相对雷诺切应力。
本实施例可以理解为，根据上述实施例步骤S1采集到的数据将会以二进制数据的形式进行存储，为了直观的表征斜管式沉沙池内水沙两相流流场信息与泥沙运移特性，需要对上述二进制数据进行处理，最终得到可表征斜管式沉沙池水沙两相流流场信息与泥沙运移特性的特征值。具体如下：
首先将二进制数据转换为具有物理意义的实际数值，而后统计分析这些数值并得到可表征斜管式沉沙池中水沙两相流流场信息与泥沙运移特性的特征值。其中用来表征水沙两相流流场信息的特征值包括：瞬时流速、时均流速、湍流流速、断面平均流速、相对紊动强度和相对雷诺切应力。
进一步具体的，在步骤S21中，对于根据上述实施例的三个对应维度方向上，利用采集时间序列内的流速采样数量，分别对各测点各个维度的瞬时流速，即单点单向瞬时流速，求取平均值，该平均值即为该测点的单向时均流速。然后，根据求得的测点的单向时均流速，以及测得的该测点的单点单向瞬时流速，计算该测点的湍流流速。
例如，分别用字母u、v和w表示水流径向、垂向和纵向流速分量，ui、vi和wi分别表示声学三维多普勒流速仪在单个测点测样时间内所采集到的水流径向、垂向和纵向瞬时流速值，并以三维直角坐标系的x轴、y轴和z轴方向表示斜管式沉沙池的长度、宽度和深度方向，a、b和c分别表示斜管式沉沙池的长度值、宽度值和深度值。则步骤S21中分别对水流径向、垂向和纵向的时均流速和湍流流速进行计算如下：
各测点的径向时均流速为：
式中，表示径向时均流速，ui表示单点径向瞬时流速，N表示测量时间序列内的流速采样数量。
进一步的，根据雷诺分解表达式，运动水流的单点径向瞬时流速ui可以分解为径向时均流速与径向湍流流速u′之和，即：
于是，可根据各测点的径向时均流速和单点径向瞬时流速ui计算该测点的径向湍流流速u′如下：
式中，u′表示测点的径向湍流流速，表示径向时均流速，ui表示单点径向瞬时流速。
同理，可求得各测点的垂向时均流速为：
式中，表示垂向时均流速，vi表示单点垂向瞬时流速，N表示测量时间序列内的流速采样数量。
进一步的，根据雷诺分解表达式，运动水流的单点垂向瞬时流速vi可以分解为垂向时均流速与垂向湍流流速v′之和，即：
于是，可根据各测点的垂向时均流速和单点垂向瞬时流速vi计算该测点的垂向湍流流速v′如下：
式中，v′表示测点的垂向湍流流速，表示垂向时均流速，vi表示单点垂向瞬时流速。
同理，可求得各测点的纵向时均流速为：
式中，表示纵向时均流速，wi表示单点纵向瞬时流速，N表示测量时间序列内的流速采样数量。
进一步的，根据雷诺分解表达式，运动水流的单点纵向瞬时流速wi可以分解为纵向时均流速与纵向湍流流速w′之和，即：
于是，可根据各测点的纵向时均流速和单点纵向瞬时流速wi计算该测点的纵向湍流流速w′如下：
式中，w′表示测点的纵向湍流流速，表示纵向时均流速，wi表示单点纵向瞬时流速。
在步骤S22中，根据上述实施例中各测点是根据各测量断面的交点确定的，因此对于三个不同维度方向，一个测量断面上会包括多个测点。在三个维度方向上，分别基于该维度方向上测量断面中各测点的单向时均流速和该测量断面的横截面积，计算该维度方向上测量断面对应的单向测量断面平均流速。
例如，根据上述步骤计算分别获得的测点在水流径向、垂向和纵向的时均流速和分别计算水流径向、垂向和纵向的测量断面对应的单向测量断面平均流速如下：
计算径向测量断面平均流速为：
同理，计算垂向测量断面平均流速为：
同理，计算纵向测量断面平均流速为：
式中，U、V、W分别表示斜管式沉沙池中水流径向、垂向、纵向的测量断面平均流速，和分别表示测点在水流径向、垂向和纵向的时均流速，a、b和c分别表示斜管式沉沙池的长度值、宽度值和深度值，A、B、C分别表示斜管式沉沙池中水流径向、垂向、纵向的测量断面的横截面积，各测量截面为矩形时，A＝bc；B＝ac；C＝ab。
具体步骤S23可以理解为，在根据上述步骤计算获取三个维度方向上的测量断面平均流速以及各测点时均流速后，根据计算结果计算对应维度方向上的相对紊动强度和相对雷诺切应力。其中相对雷诺切应力的计算还需结合切向维度方向上的单向时均流速和单点单向瞬时流速进行计算。
依然根据上述步骤的举例进行进一步说明。首先在径向方向上，相对紊动强度的计算表达式如下：
径向方向上对应xoy平面上的相对雷诺切应力表示为：
同理，可得在垂向方向上，相对紊动强度的计算表达式如下：
垂向方向上对应yoz平面上的相对雷诺切应力表示为：
同理，可得在纵向方向上，相对紊动强度的计算表达式如下：
纵向方向上对应xoz平面上的相对雷诺切应力表示为：
式中，Ix、Iy、Iz分别表示斜管式沉沙池中水流径向、垂向、纵向的相对紊动强度，Rxy、Ryz、Rxz分别表示斜管式沉沙池中对应xoy平面、yoz平面和xoz平面的相对雷诺切应力，U、V、W分别表示斜管式沉沙池中水流径向、垂向、纵向的测量断面平均流速，N表示测量时间序列内的流速采样数量，和分别表示测点在水流径向、垂向和纵向的时均流速，ui、vi和wi分别表示测点在水流径向、垂向和纵向的瞬时流速。
本发明实施例提供的一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量方法，通过对声学三维多普勒流速仪测得的流速数据进行自动统计分析，得出斜管式沉沙池流场中各测点的瞬时流速、时均流速、湍流流速、断面平均流速、相对紊动强度和相对雷诺切应力等水流流场信息特征值，实现了斜管式沉沙池全流场流场信息的精确测量。
其中可选的，步骤S2中所述泥沙运移特性具体包含泥沙浓度信息和池底泥沙淤积厚度信息；
相应的，步骤S2中所述基于所述单点浊度信息和所述垂直距离信息，计算所述目标斜管式沉沙池内的泥沙运移特性的步骤进一步包括：基于所述单点浊度信息，利用预先拟合获取的换算公式，计算所述泥沙浓度信息；并基于所述采集时间序列内的流速采样数量、所述垂直距离信息、所述测点处水面相对所述目标斜管式沉沙池底部的高度以及所述测点至水面的垂直距离，计算各所述测点对应的池底泥沙淤积厚度信息。
可以理解为，选取泥沙浓度信息和池底泥沙淤积厚度信息作为表征目标斜管式沉沙池的泥沙运移特性的特征信息。在根据上述实施例测得各测点的单点浊度信息之后，利用预先拟合而成的换算公式，将测得的浊度信息换算成表征泥沙运移特性的泥沙浓度信息。
同时，在获取采集时间序列内的流速采样数量、测点至池底沉沙表面垂直距离信息、测点处水面相对目标斜管式沉沙池底部的高度以及测点至水面的垂直距离信息之后，根据这些信息即可计算获取测点对应的池底泥沙淤积厚度信息。
在其中一个实施例中，在所述基于所述单点浊度信息，利用预先拟合获取的换算公式，计算所述泥沙浓度信息的步骤之前，所述方法还包括：
采集目标斜管式沉沙池中的水样样本，并通过比对所述水样样本的样本浊度信息和实际浓度信息，拟合所述换算公式；其中，所述样本浊度信息是利用所述光学散射浊度计测量所述水样样本获取的。
可以理解为，光学散射浊度计输出的浊度值是一个电压值，不同水流情况下，光学散射浊度计所测浊度与泥沙浓度换算关系不一。每次测量前可通过烘干法实测多个待测水样含沙量，并与光学散射浊度计对应浊度值构建函数关系，测量前将该函数式作为校准参数输入。
其中通过比对发现光学散射浊度计输出的电压值x与泥沙浓度值y的换算关系符合一元二次方程关系。因此泥沙浓度信息拟合计算公式可表示为：
y＝mx2+nx+l；
式中，x表示光学散射浊度计输出的浊度电压值，y表示所测水样的泥沙浓度值，m、n、l均为常数，可根据所测含沙水流实际浓度值校准确定。
则，测点的泥沙浓度计算公式如下：
式中，Y表示测点的泥沙浓度均值，M表示采集时间序列内的泥沙浓度采样数量，yi表示光学浊度计在单个测点采样时间内所采集到的测点泥沙浓度信息。
对于池底泥沙淤积厚度计算，根据上述实施例可知，声学三维多普勒流速仪在测定各测点三维流速信息的同时，会测量该传感器距离斜管式沉沙池底的距离。因此，根据该值即可得出各池底测点对应的泥沙淤积厚度，计算公式如下：
式中，T表示池底泥沙淤积厚度，N表示采集时间序列内的流速采样数量，H表示测点处水面相对目标斜管式沉沙池底部的高度，h表示测点至水面的垂直距离信息，Di表示声学三维多普勒流速仪在单个测点测样时间内所采集到的测点至池底沉沙表面的垂直距离信息。
本发明实施例提供的一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量方法，通过对光学散射浊度计测得的浊度数据与声学三维多普勒流速仪测得的测点至池底沉沙表面的垂直距离数据进行自动统计分析，得出斜管式沉沙池流场中各测点的泥沙运移特性数据，即泥沙浓度与池底泥沙淤积厚度，实现了斜管式沉沙池全流场泥沙运移特性的精确测量。
另外，在对目标斜管式沉沙池水沙两相流流场信息与泥沙运移特性测量过程中，相关功能单元可以实时显示当前测点坐标和传感器测量信号质量等。并且，可以以折线坐标图形式分别显示各测点水流径向、垂向和纵向流速。例如，分别以字母u、v、w表示。也可以对测点泥沙浓度、测点对应池底泥沙淤积深度结果进行显示。同时还可以展示观察测量过程有无异常情况等信息。
作为本发明实施例的另一个方面，本实施例提供一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量系统，参考图4，为本发明实施例一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量系统的结构示意图，包括：数据采集单元1和数据处理单元2。其中，
数据采集单元1用于分别采集目标斜管式沉沙池内多个测点处的单点三维瞬时流速、单点浊度信息以及各所述测点至池底沉沙表面的垂直距离信息；
数据处理单元2用于基于所述单点三维瞬时流速，分别计算各所述测点在三个对应维度方向的两相流流场信息，并基于所述单点浊度信息和垂直距离信息，计算所述目标斜管式沉沙池内的泥沙运移特性；
其中，各所述测点是通过在所述目标斜管式沉沙池中的所述三个对应维度方向上分别设置多个测量断面选取的。
可以理解为，本实施例在目标斜管式沉沙池整体空间范围内的多个位置点设置数据采集点，即测点。其中，考虑到针对目标斜管式沉沙池测得的数据的完整性和均匀性，在选取各测点时，通过分别在水流径向、垂向和纵向上设置多个测量界面，并根据各测量界面的位置关系选取各测点。
则，在系统运行过程中，数据采集单元1分别针对各个测点，采集该测点对应的三维瞬时流速信息、浊度信息以及该测点距离池底沉沙表面的垂直距离信息。其中对各测点的数据采集可以采用自动采集方式，也可以采用人工辅助的采集方式等。采集顺序上，可以是对各测点数据依次采集，也可以利用多个传感器同时采集，此处均不做具体限制。考虑到针对各个测点测得的数据是相对该单个测点的，因此为了更直观的表述，上述数据信息分别对应表示为：单点三维瞬时流速、单点浊度信息和单点对应的垂直距离信息。
其中，单点三维瞬时流速是指该测点的实际瞬时流速矢量分别在对应三个维度方向上的投影，即通过测点的三维瞬时流速确定的是该测点实际的瞬时流速矢量。因此，该流速信息不仅表征了对应测点的流速大小，而且表征了对应测点的水流流向信息。
其中，测点距离池底沉沙表面的垂直距离信息可以通过传感器测取的与池底沉沙表面的垂直距离得到。
数据采集单元1测得的各测点三维瞬时流速，表征的是三个对应维度方向上的瞬时流速，则为了计算方便，数据处理单元2用来分别在三个对应维度方向上进行两相流流场信息的计算。例如，对于三个对应维度方向分别为径向、垂向和纵向的情况，数据处理单元2分别计算各测点的两相流流场信息矢量在径向、垂向和纵向方向上的投影分量。三个投影方向上的流场信息分量确定测点的实际流场信息矢量。
同时，由于利用数据采集单元1测得的是测点的浊度信息，以及测点距离池底沉沙表面的垂直距离信息，不能准确表征目标斜管式沉沙池内的泥沙运移特性，数据处理单元2需要根据二者进行泥沙运移特性特征值转换，得到能够准确表征目标斜管式沉沙池内的泥沙运移特性的物理量。
另外，数据处理单元2还可以对所采集得到的二进制及电压数据进行自动分析、统计处理。
应当理解的是，本发明实施例中可以通过硬件处理器(hardware processor)来实现相关功能模块。
本发明实施例提供的一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量系统，通过设置数据采集单元和数据处理单元，对目标斜管式沉沙池内不同测点的浊度值、三维方向上的瞬时流速以及距离的测量，并通过统计计算，能够有效获取不同设计形式条件下斜管式沉沙池的完整水沙两相流流场信息与泥沙运移特性，从而为斜管式沉沙池的进一步优化提供可靠性技术依据。
其中可选的，数据采集单元1具有用于：利用声学三维多普勒流速仪，分别采集预先设置的各所述测点处的所述单点三维瞬时流速和所述垂直距离信息，并利用光学散射浊度计，分别采集各所述测点处的所述单点浊度信息；
进一步的，所述系统还包括：控制设置单元，用于按各所述测点的实际三维坐标信息设置数据采集中对应测点的测点位置参数，并分别对所述声学三维多普勒流速仪和所述光学散射浊度计的采样参数进行设定。
可以理解为，参考图5，为本发明实施例另一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量系统的结构示意图，在上述实施例的基础上，本发明的系统还包括控制设置单元3，其具体用于对测点位置参数、声学三维多普勒流速仪和光学散射浊度计的采样参数进行设定。
即在根据上述实施例利用数据采集单元1进行数据采集之前，需要控制设置单元3预先对数据采集过程参数和测量仪器工作参数，即采样参数，进行设定。具体主要对以下信息进行预先设置：
(1)斜管式沉沙池流场内各测点位置参数。其中，流场测点位置信息以三维坐标参数形式输入，输入参数时以起始测点作为三维坐标轴原点，以此为基准，输入其他测点的三维坐标参数。
(2)声学三维多普勒流速仪采样参数。包括对采样频率、采样速度幅值、测点水体直径以及测点采样时间的设置。例如，可针对声学三维多普勒流速仪设定以下参数：采样频率：40、80、160、200Hz；采样速度幅值：0.01、0.03、0.10、0.50、1.00、2.00、4.00m/s；测点水体直径：3、5、7、9mm；测点采样时间：根据实际需求输入。
(3)光学散射浊度计采样参数。包括对采样频率、泥沙浓度幅值、测点水体直径以及测点采样时间的设置。例如，可针对光学散射浊度计设定以下参数：采样频率：2、6、12、30Hz；测点水体直径：3、5、7、9mm；泥沙浓度幅值：5、10、20、30、40、50kg/m3；测点采样时间：根据实际需求输入。
另外，控制设置单元3还可以对包括浊度值与泥沙浓度转换公式、仪器测量信号质量阈值、设定数据存储预设条件等数据采集和处理的过程参数进行设定。
则，对于数据采集单元1，在根据上述实施例进行各测点单点三维瞬时流速、单点浊度信息以及各所述测点至池底沉沙表面的垂直距离信息的测量时，通过预先在目标斜管式沉沙池全流场中设置各测点，并利用声学三维多普勒流速仪和光学散射浊度计分别采集各测点的数据实现。其中，也可以通过预先在各测点布置的声学三维多普勒流速仪和光学散射浊度计实现上述数据采集。
具体的，利用声学三维多普勒流速仪，数据采集单元1不仅可以测量测点处三维瞬时流速，而且可以利用相应传感器测量传感器至池底沉沙表面的垂直距离信息。由于传感器在测量对应测点处的数据时，传感器被布置在对应测点处，则数据采集单元1利用传感器所测得的垂直距离信息也可用来表征对应测点至池底沉沙表面的垂直距离。
同时，利用光学散射浊度计，数据采集单元1分别测量各对应测点处的浊度值，即对应测点对应的单点浊度信息。
应当理解的是，浊度是指水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度。光学散射浊度计采用比例浊度法测量，取散射光与透射光之比测量液体浊度。
另外，参考图5，在上述实施例的基础上，本发明的系统还包括数据存储输出单元4，其具有数据存储与数据输出两部分功能：
首先，数据存储层面，是指初始界面和设置参数的保存，如斜管式沉沙池流场测点位置参数、声学三维多普勒流速仪和光学散射浊度计采样设置参数、浊度值与泥沙浓度转换公式、仪器测量信号质量阈值、数据存储预设条件等。数据存储输出单元4还会储存斜管式沉沙池中各测点由声学三维多普勒流速仪和光学散射浊度计采集得到的二进制数据，同时还会储存由上述二进制数据经数据处理单元统计分析得到的斜管式沉沙池水沙两相流流场信息与泥沙运移特性特征值。这些特征值包括：瞬时速度、时均速度、湍动速度、断面平均流速、相对紊动强度、相对雷诺切应力、泥沙浓度、泥沙淤积厚度等。
另外，数据存储输出单元4还会对包括浊度值与泥沙浓度转换公式、仪器测量信号质量阈值、设定数据存储预设条件等数据采集和处理的过程参数进行存储。
其次，数据输出层面，指用户可通过该系统输出由数据处理单元统计分析得到的斜管式沉沙池水沙两相流流场信息与泥沙运移特性特征值。输出格式主要包含数据表格形式(文件扩展名为xls)和文本形式(文件扩展名为dat)。
另外，在对目标斜管式沉沙池水沙两相流流场信息与泥沙运移特性测量过程中，控制设置单元3可以实时显示当前测点坐标和传感器测量信号质量等。并且，控制设置单元3可以以折线坐标图形式分别显示各测点水流径向、垂向和纵向流速，例如，分别以字母u、v、w表示。也可以对测点泥沙浓度、测点对应池底泥沙淤积深度结果进行显示。同时还可以展示观察测量过程有无异常情况等信息。
应当理解的是，本发明提出的方法可广泛应用于各种结构尺寸的斜管式沉沙池水沙两相流流场信息与泥沙运移特性的测量之中。
为了进一步说明本发明的技术方案，以下通过举例对技术方案进行更详细的阐述，但不限制本发明的保护范围。
假设某斜管式沉沙池是按照设计引水流量100m3/h，沉降粒径0.05mm为设计标准进行设计的。其具体结构参数为：设计工作长度10m，沉沙池高2.2m，工作水深2m，溢流堰宽度2m，调流板距沉沙池前墙1.2m，池厢隔墙高0.4m，沉沙池底坡1:100，排沙管道倾角1:50，清水池有效容积5m3；进水池设置两个进水闸门，对应两个引水涵管和两个池厢，有利于沉沙池池底泥沙的冲洗；设计斜管的铺设面积为8m2，铺设长度为4m，斜管布置角度为60°，斜管底部距沉沙池底高度60cm。如图6所示，为根据本发明实施例一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量方法中斜管式沉沙池的结构示意图。其中，图6(a)为斜管式沉沙池俯视图，图6(b)为斜管式沉沙池纵剖面图。
斜管式沉沙池水沙两相流流场信息与泥沙运移特性测量过程为：
(1)在安装有控制设置单元的PC终端输入测量与校准参数。
首先，设置斜管式沉沙池流场的测点位置坐标参数。斜管式沉沙池测点布置如图2所示，从距斜管式沉沙池前墙20cm处沿水流方向等间距布置测量断面，布置间距为60cm，测量断面序号依次表示为C1、C2、···、C17，在调流板与斜管区挡墙前后20cm各加密一个测量断面，序号分别为CT1、CT2和CD1、CD2；在与水流平行方向布置垂直断面，测量断面距沉沙池右墙距离分别为20、40、80、120、160、180cm，测量断面序号依次表示为K1、K2、···、K6；沿水深方向依次布置水平断面，测量断面水深分别是10、20、40、80、120、160cm，测量断面序号依次表示为S1、S2、···、S6。将各个测量断面的交点作为斜管式沉沙池流场信息与泥沙运移特性测量测点，将这些测点坐标参数依次输入控制设置单元，其中C1K1S1点作为坐标原点(0,0,0,)，则C2K1S1点坐标参数为(60,0,0,)，依次类推，将各测点三维坐标参数依次输入。
另外，斜管区由于有斜管的存在，因此只测量了S1、S2、S3三个水平断面，未测量斜管区的测点。
其次，设置声学三维多普勒流速仪采样参数。由于该斜管式沉沙池设计流量为100m3/h，则池中水流平均流速q可由如下公式计算：
因此，测试采样速度幅值设为0.01m/s，测量水体直径为3mm，每个测点采样时间为30s，采样频率设置为200Hz，因此每个测点在测量时间序列中的采样数量可达5700～6000。
再次，设置光学散射浊度计采样参数输入。通过烘干法等测得流场平均含沙量为3.46kg/m3。因此，设置采样泥沙浓度幅值为5kg/m3，测量水体直径为3mm，采样频率为6Hz，每个测点采样时间为30s，每个测点在测量时间序列中的采样数量可达180。
最后，设置数据校准参数。由于该斜管式沉沙池位于室外，因此将声学三维多普勒流速仪测量信号质量表征值信噪比与相关系数最小值设定为15dB与85％，当测点信号质量表征值连续5s大于该值时，系统开始自动存储仪器采集到的数据。
斜管式沉沙池流场信息与泥沙运移特性测试开始之前，首先取5份水源水样，分别利用光学散射浊度计与烘干法测试水样含沙量，经过对实验结果利用数学方法进行公式拟合，得到光学浊度计所测数值与泥沙浓度换算公式，如下：
y＝1.36944x2+3.03888x-0.00172。
在测试开始之前，将该公式输入控制设置单元。
(2)数据采集单元采集斜管式沉沙池流场信息与泥沙运移特性。
参数输入完成后，数据采集单元开始自动采集数据，第一个测点为C1K1S1测点(即控制设置单元默认三维坐标系原点位置)，而后按顺序依次展开。
采样过程中，可通过控制设置单元的测量结果显示界面观察测量过程，以防在测样过程中出现异常情况。
(3)利用数据处理单元对采集到的斜管式沉沙池流场信息与泥沙运移特性二进制数值进行处理。
斜管式沉沙池全流场测点测量完毕后，利用数据处理单元对所采集到的二进制数据进行处理。数据处理由数据处理单元后台程序自动完成，不需要人工操作计算。数据处理单元得到的表征斜管式沉沙池流场信息与泥沙运移特性的特征值主要有沉沙池各测点的瞬时速度、时均速度、湍流速度、相对紊动强度、相对雷诺切应力、泥沙浓度与斜管式沉沙池各横断面、纵断面、水平断面平均速度与斜管式沉沙池底面泥沙淤积厚度等。
(4)利用数据存储输出单元输出斜管式沉沙池流场信息与泥沙运移特性特征值。
数据采集单元采集的二进制数据与数据处理单元得到的斜管式沉沙池流场信息与泥沙运移特性特征值均以数据表形式(文件扩展名xls)和文本形式(文件扩展名dat)通过数据存储输出单元存储于安装有本系统电脑的指定文件夹中。通过访问该文件夹可检查、调取、拷贝这些数据，并利用Excel、Tecplot等软件对这些数据进行进一步处理。
作为本发明实施例的又一个方面，本实施例提供一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量装置，参考图7，为本发明实施例一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量装置的结构框图，包括：至少一个存储器701、至少一个处理器702、通信接口703和总线704。
其中，存储器701、处理器702和通信接口703通过总线704完成相互间的通信，通信接口703用于所述测量装置与数据采集设备通信接口和参数设置接口之间的信息传输；存储器701中存储有可在处理器702上运行的计算机程序，处理器702执行所述程序时实现如上述实施例的斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量方法。
可以理解为，上述斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量装置中至少包含存储器701、处理器702、通信接口703和总线704，且存储器701、处理器702和通信接口703通过总线704形成相互之间的通信连接，并可完成相互间的通信。
通信接口703实现测量装置与数据采集设备通信接口和参数设置接口之间的通信连接，并可完成相互间信息传输，如通过通信接口703实现数据采集设备所采集到数据的录入，测量过程参数的输入等。
测量装置运行时，处理器702调用存储器701中的程序指令，以执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：基于所述单点三维瞬时流速，分别计算各所述测点在三个对应维度方向的两相流流场信息，并基于所述单点浊度信息和所述垂直距离信息，计算所述目标斜管式沉沙池内的泥沙运移特性等。
本发明另一个实施例中，提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如上述实施例所述的斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量方法。
可以理解为，上述的存储器701中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。或者，实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所描述的斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量装置的实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，既可以位于一个地方，或者也可以分布到不同网络单元上。可以根据实际需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解，各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如U盘、移动硬盘、ROM、RAM、磁碟或者光盘等，包括若干指令，用以使得一台计算机设备(如个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行上述各方法实施例或者方法实施例的某些部分所述的方法。
综上可知，本发明提供的一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量方法与系统，存在以下优势：
(1)首创性。本发明首次实现了斜管式沉沙池水沙两相流流场信息与泥沙运移特性特征值的全流场精确自动测量。
(2)高效性。应用本发明提出的测量系统与方法，可以通过自动控制系统实现斜管式沉沙池水沙两相流流场信息与泥沙运移特性特征值的全流场自动高效测量，可有效节省测量人员移动测量仪、调试测量设备的无用重复工作量，大大节约了测试所需人工与时间，同时也避免了人工操作造成的误差，提高了测量准确性。
(3)安全性。应用本发明提出的测量系统与方法，测试人员可通过测量结果显示界面直观的监测观察测试全过程，无需测试人员在水深较大的沉沙池旁调节测量仪位置，有效降低了安全风险。
(4)可操作性。目前市场上已有多款性能优异的声学三维多普勒流速仪与光学散射浊度计产品，均可直接与本发明提出的自动测试系统结合应用。同时系统界面操作简单，且测量结果可靠，可操作性强。
另外，本领域内的技术人员应当理解的是，在本发明的申请文件中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而应当理解的是，本发明实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。
然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量方法，其特征在于，包括：
S1，分别采集目标斜管式沉沙池内多个测点处的单点三维瞬时流速、单点浊度信息以及各所述测点至池底沉沙表面的垂直距离信息；
S2，基于所述单点三维瞬时流速，分别计算各所述测点在三个对应维度方向的两相流流场信息，并基于所述单点浊度信息和所述垂直距离信息，计算所述目标斜管式沉沙池内的泥沙运移特性；
其中，各所述测点是通过在所述目标斜管式沉沙池中的所述三个对应维度方向上分别设置多个测量断面选取的。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中所述单点三维瞬时流速具体包含所述三个对应维度方向分别对应的单点单向瞬时流速；
步骤S2中所述两相流流场信息具体包含瞬时流速、时均流速、湍流流速、断面平均流速、相对紊动强度和相对雷诺切应力；
相应的，步骤S2中所述基于所述单点三维瞬时流速，分别计算各所述测点在三个对应维度方向的两相流流场信息的步骤进一步包括：
分别在所述三个对应维度方向上，按如下步骤计算各维度方向上的两相流流场信息：
分别基于各所述测点的单点单向瞬时流速和采集时间序列内的流速采样数量，计算各所述测点的单向时均流速，并基于各所述测点的所述单向时均流速和所述单点单向瞬时流速，计算各所述测点的湍流流速；
基于对应维度方向上所述测量断面中各测点的单向时均流速，以及对应的所述测量断面的横截面积，计算对应维度方向上各所述测量断面对应的单向测量断面平均流速；
基于所述单向测量断面平均流速、所述采集时间序列内的流速采样数量、所述单向时均流速和所述单点单向瞬时流速，计算单向相对紊动强度，并结合切向维度方向上的单向时均流速和单点单向瞬时流速，计算相对所述切向维度方向的相对雷诺切应力。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S2中所述泥沙运移特性具体包含泥沙浓度信息和池底泥沙淤积厚度信息；
相应的，步骤S2中所述基于所述单点浊度信息和所述垂直距离信息，计算所述目标斜管式沉沙池内的泥沙运移特性的步骤进一步包括：
基于所述单点浊度信息，利用预先拟合获取的换算公式，计算所述泥沙浓度信息；并基于所述采集时间序列内的流速采样数量、所述垂直距离信息、所述测点处水面相对所述目标斜管式沉沙池底部的高度以及所述测点至水面的垂直距离，计算各所述测点对应的池底泥沙淤积厚度信息。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S1的步骤进一步包括：
利用声学三维多普勒流速仪，分别采集预先设置的各所述测点处的所述单点三维瞬时流速和所述垂直距离信息，并利用光学散射浊度计，分别采集各所述测点处的所述单点浊度信息。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述基于所述单点浊度信息，利用预先拟合获取的换算公式，计算所述泥沙浓度信息的步骤之前，还包括：
采集所述目标斜管式沉沙池中的水样样本，并通过比对所述水样样本的样本浊度信息和实际浓度信息，拟合所述换算公式；
其中，所述样本浊度信息是利用所述光学散射浊度计测量所述水样样本获取的。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述S1的步骤之前，还包括：
按各所述测点的实际三维坐标信息设置数据采集中对应测点的测点位置参数，并分别对所述声学三维多普勒流速仪和所述光学散射浊度计的采样参数进行设定。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述S1的步骤之前，还包括：
设定所述声学三维多普勒流速仪所测量信号的信噪比阈值、相关系数阈值以及数据存储预设条件，用以当判断获知对所述测点的测量信号质量表征值大于所述信噪比阈值和所述相关系数阈值，并且所述声学三维多普勒流速仪的测量过程参数达到所述数据存储预设条件时，自动记录所采集到的数据。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过在所述目标斜管式沉沙池中的所述三个对应维度方向上分别设置多个测量断面，选取各所述测点的步骤包括：
在所述目标斜管式沉沙池内，分别沿水流径向方向和水流平行方向按对应给定间距布置多个径向垂直测量断面和垂向垂直测量断面，并沿水深方向布置多个纵向水平测量断面，则选取所述径向垂直测量断面、所述垂向垂直测量断面和所述纵向水平测量断面的交点作为所述测点。
9.一种斜管式沉沙池流场信息及泥沙运移特性测量系统，其特征在于，包括：
数据采集单元，用于分别采集目标斜管式沉沙池内多个测点处的单点三维瞬时流速、单点浊度信息以及各所述测点至池底沉沙表面的垂直距离信息；
数据处理单元，用于基于所述单点三维瞬时流速，分别计算各所述测点在三个对应维度方向的两相流流场信息，并基于所述单点浊度信息和所述垂直距离信息，计算所述目标斜管式沉沙池内的泥沙运移特性；
其中，各所述测点是通过在所述目标斜管式沉沙池中的所述三个对应维度方向上分别设置多个测量断面选取的。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述数据采集单元具有用于：利用声学三维多普勒流速仪，分别采集预先设置的各所述测点处的所述单点三维瞬时流速和所述垂直距离信息，并利用光学散射浊度计，分别采集各所述测点处的所述单点浊度信息；
所述系统还包括：
控制设置单元，用于按各所述测点的实际三维坐标信息设置数据采集中对应测点的测点位置参数，并分别对所述声学三维多普勒流速仪和所述光学散射浊度计的采样参数进行设定。
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