CN108956090A - 一种多孔相向射流测试装置与测试方法 - Google Patents

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陈明
张星星
黄海津
段黎明
苗健康
吕森鹏
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M10/00—Hydrodynamic testing; Arrangements in or on ship-testing tanks or water tunnels

Abstract

本发明涉及一种多孔相向射流测试装置与测试方法，属于射流力学流场结构测量领域。该装置包括射流试验水槽、平水塔、平水槽、供回水系统和粒子图像测速法PIV(Particle Image Velocimetry)测试系统；试验水槽两端蓄水槽的4个角落对称布置4个平水槽，目的在于保证射流条件与船闸支孔出流条件相似，并通过平水槽的升降控制试验水槽水深，用于实现不同水深的射流试验；试验水槽左右两侧分别等间距布置6根支管。本发明应用PIV技术手段，实现了不同水深、不同间距、不同入射通量的多孔相向射流流场结构的测定，并测定得到了相向射流相互影响间距宜在80mm以内。

Description

一种多孔相向射流测试装置与测试方法
技术领域
本发明属于射流力学流场结构测量领域，涉及一种多孔相向射流测试装置与测试方法。
背景技术
多孔射流在水利工程领域内普遍存在，譬如大坝孔口下泄水射流、农田喷灌水射流、船闸充水多孔水射流等，本发明主要应用于船闸水动力学中。随着内河水运事业的繁荣，通航船闸的交通结点地位日益突显，建设任务繁重，为进一步提高长江黄金水道的运输能力，亟需规划和新建大量船闸工程。而输水系统作为船闸的核心部分，其技术性能的优劣直接关系到船闸的运营能力。保证输水系统高效和安全运行，关键在于对输水过程中多孔相向水射流流场结构的研究。多孔射流虽系射流力学中的经典问题，在船闸充水时却存在自身的特点：①水流通过一排或多排错位布置的支孔(管)充入闸室水体，当输水阀门单边开启时，属于典型的多孔三维壁面射流，当输水阀门双边开启时，闸室内水流紊乱，属于复杂的多孔相向三维壁面射流，而船闸工程绝大多数处于后一种工作状态；②各支孔出流时，由于受两侧闸墙、挡坎、消力梁等影响，边界条件十分复杂；③船闸充水过程中，闸室内水位不断上升，考虑淹没条件下，多孔相向射流流场结构在展向与竖向的变化机制，势必加大了研究难度。因此，研究多孔相向射流流场结构具有重要的作用。
现有试验装置一方面采用传统的流速仪、ADV、波高仪、水位计、电磁流量计等仪器测量船闸充水时各孔口流速、闸室内水位、波高等，各统计参数只能宏观的反映多孔射流的流动特性，尚不能量化其流场结构；另一方面，现有物理模型大多基于特定的船闸工程进行试验，主要任务集中于输水时间、消能效率、闸室内水流条件与船舶系缆力的观测，对支孔部分的制作不够精细，也并未针对各支孔出流作详细测量。因此，现有技术难以满足多孔相向射流流场结构的测定，亟需研发一种新的基于PIV的测试装置与测试方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多孔相向射流测试装置与测试方法，可以实现不同入射动量、不同间距、不同水深、不同组合(对孔、错孔)的射流流动特性测量。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种多孔相向射流测试装置，包括射流试验水槽、平水塔、平水槽、供回水系统和粒子图像测速法PIV(Particle Image Velocimetry)测试系统；
所述试验水槽两端蓄水槽的4个角落对称布置4个平水槽，目的在于保证射流条件与船闸支孔出流条件相似，并通过平水槽的升降控制试验水槽水深，用于实现不同水深的射流试验；试验水槽左右两侧分别等间距布置6根支管；
所述供回水系统包括蓄水箱、主供水管、水泵、次供水管、溢流管和回水管；
所述主供水管与平水塔和蓄水箱相连，主供水管管路中设有水泵，用于满足射流试验的供水要求；
所述次供水管与平水塔和各支管相连，用于满足射流试验的供水要求；
所述溢流管与平水塔和蓄水箱相连，用于水体溢流至蓄水箱；
所述回水管与平水槽和蓄水箱相连，用于试验水体回流至蓄水箱；
所述PIV测试系统包括高频CCD相机、激光器、示踪粒子和PIV流场计算软件；
所述PIV流体计算软件为JFM(Joy Fluid Measurement)，最小诊断窗口为16×16像素，X与Y方向网格的重叠系数为0.5，最终分辨率为8×8像素。
进一步，所述试验水槽由玻璃材质制作而成，长为800mm，宽为400mm，高为300mm；所述支管横截面设计为矩形，截面尺寸宽为14mm，高为16mm；
进一步，所述支管上设有阀门，用于控制支管出流速度，用于实现不同入射动量的射流试验；
进一步，所述支管一侧间距为40mm，另一侧为20mm，用于满足不同支管间距的射流试验；
进一步，所述平水塔内设有溢流档板，用于控制塔中水位。
进一步，所述试验水槽外布设水位测针，用于监控试验水深。
进一步，所述高频CCD相机最高分辨率为2560×1920像素，最高采样频率达2500Hz，工作模式分为高频模式和双曝光模式。
进一步，所述激光器为8W半导体连续激光器，连续激光片光厚度约1mm。
进一步，所述示踪粒子为空心玻璃球，直径约10μm，密度为1.03g/mm3。
基于所述装置的一种多孔相向射流测试方法，该方法具体为：分析三维射流流动结构时，采用PIV独立采样功能捕捉瞬态流场，通过激光器连续发射片光源，由高速相机进行图像采集，对示踪粒子进行捕捉，并同步传至服务器存储；当量测水平面射流流场时，激光器放置于水槽头部，直接照射于试验段某一水平面，然后通过放置于水槽底部的相机进行拍摄；当量测竖直面射流流场时，激光器放置于水槽底部，直接照射于试验段某一竖直面，然后通过放置于水槽头部的相机进行拍摄；采集得到的图像，利用PIV流场计算软件(JFM)对BMP格式的图像进行处理，统计分析样本容量初选为5000张图像。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明装置实现了水深与入射动量的恒定与调节，可真实地模拟船闸输水系统的各支孔出流的工作状态；
(2)本发明应用PIV(高速粒子图像测速)技术手段，实现了不同水深、不同间距、不同入射通量的多孔相向射流流场结构的测定，并测定得到了相向射流相互影响间距宜在80mm以内。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明三维立体图；
图2为本发明平面图；
图3为本发明试验结果图。
附图标记：1-试验水槽，2-支管，3-阀门，4-平水塔，5-平水槽，6-蓄水箱，7-主供水管，8-次供水管，9-回水管，10-水位测针，11-CCD相机，12-激光器，13-服务器，14-溢流管，15-溢流板，16-水泵，17-蓄水槽。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如图1-2所示，图中单位为mm，一种多孔相向射流的试验装置，包括射流试验水槽1、平水塔4、蓄水箱6、平水槽5、供回水系统、水位测针10、PIV测试系统等。
供回水系统包括蓄水箱6、主供水管7、水泵16、次供水管8、溢流管14和回水管9；
主供水管7与平水塔4和蓄水箱6相连，主供水管7管路中设有水泵16，用于满足射流试验的供水要求；
次供水管8与平水塔4和各支管2相连，用于满足射流试验的供水要求；
溢流管14与平水塔4和蓄水箱6相连，用于水体溢流至蓄水箱6；平水塔4中还设有溢流板15；
回水管9与平水槽5和蓄水箱6相连，用于试验水体回流至蓄水箱6；
所述PIV测试系统包括高频CCD相机11、激光器12、示踪粒子和PIV流场计算软件；
本发明结合PIV(粒子成像测速)，可以比较真实地模拟单孔、串行双孔、相向双孔、多孔相向的射流试验，实用性较强。
试验水槽1的两端分别对称布置有蓄水槽17。
分析三维射流流动结构时，采用PIV独立采样功能捕捉瞬态流场，通过激光器12连续发射片光源，由高速相机进行图像采集(对示踪粒子进行捕捉)，并同步传至服务器13存储。当量测水平面射流流场时，激光器12放置于水槽头部，直接照射于试验段某一水平面，然后通过放置于水槽底部的相机进行拍摄；当量测竖直面射流流场时，激光器12放置于水槽底部，直接照射于试验段某一竖直面，然后通过放置于水槽头部的相机进行拍摄。采集得到的图像，利用PIV流场计算软件(JFM)对BMP格式的图像进行处理，统计分析样本容量初选为5000张图像。
实例一，单孔三维壁面射流试验。选取射孔J01～J06，打开与之相连的支管2的阀门3，调节阀门3开度，通过电磁流量计控制流量大小，同时调节平水槽5，按照不同的水深进行单孔试验。
实例二，串行双孔三维壁面射流试验。选取射孔J01～J06，根据不同的水深和间距组合要求，打开对应的两根支管2，同时，根据不同的射流动量通量比，调节阀门3和电磁流量计，再结合不同的水深，可进行多组次串行双孔试验。
实例三，相向双孔射流试验。选取射孔J07+(J01～J06)的相向射流方式，组合成不同的错位间距，再结合不同的水深，依据不同射流动量通量比，进行相向双孔试验；
实例四，多孔相向射流试验。选取射孔J01+(J02～J06)+(J08～J12)的相向三孔对称布置方式，组合成不同的错位间距，再结合不同的水深，依据不同射流动量通量比，进行相向三孔试验。
当平水塔4中水位降低时，可开启水泵16，实现循环供水。
测量获得了相向孔间距80mm和100mm的试验结果，如图3所示，(a)为相向孔间距80mm试验结果图，(b)为相向孔间距100mm试验结果图，相向射流相互影响间距宜在80mm以内。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种多孔相向射流测试装置，其特征在于：包括射流试验水槽、平水塔、平水槽、供回水系统和粒子图像测速法PIV(Particle Image Velocimetry)测试系统；
所述试验水槽两端蓄水槽的4个角落对称布置4个平水槽，目的在于保证射流条件与船闸支孔出流条件相似，并通过平水槽的升降控制试验水槽水深，用于实现不同水深的射流试验；试验水槽左右两侧分别等间距布置6根支管；
所述供回水系统包括蓄水箱、主供水管、水泵、次供水管、溢流管和回水管；
所述主供水管与平水塔和蓄水箱相连，主供水管管路中设有水泵，用于满足射流试验的供水要求；
所述次供水管与平水塔和各支管相连，用于满足射流试验的供水要求；
所述溢流管与平水塔和蓄水箱相连，用于水体溢流至蓄水箱；
所述回水管与平水槽和蓄水箱相连，用于试验水体回流至蓄水箱；
所述PIV测试系统包括高频CCD相机、激光器、示踪粒子和PIV流场计算软件；
所述PIV流体计算软件为JFM(Joy Fluid Measurement)，最小诊断窗口为16×16像素，X与Y方向网格的重叠系数为0.5，最终分辨率为8×8像素。
2.根据权利要求1所述的一种多孔相向射流测试装置，其特征在于：所述试验水槽由玻璃材质制作而成，长为800mm，宽为400mm，高为300mm；所述支管横截面设计为矩形，截面尺寸宽为14mm，高为16mm。
3.根据权利要求2所述的一种多孔相向射流测试装置，其特征在于：所述支管上设有阀门，用于控制支管出流速度，用于实现不同入射动量的射流试验；
所述支管一侧间距为40mm，另一侧为20mm，用于满足不同支管间距的射流试验。
4.根据权利要求1所述的一种多孔相向射流测试装置，其特征在于：所述平水塔内设有溢流档板，用于控制塔中水位。
5.根据权利要求1所述的一种多孔相向射流测试装置，其特征在于：所述试验水槽外布设水位测针，用于监控试验水深。
6.根据权利要求1所述的一种多孔相向射流测试装置，其特征在于：所述高频CCD相机最高分辨率为2560×1920像素，最高采样频率达2500Hz，工作模式分为高频模式和双曝光模式。
7.根据权利要求1所述的一种多孔相向射流测试装置，其特征在于：所述激光器为8W半导体连续激光器，连续激光片光厚度约1mm。
8.根据权利要求1所述的一种多孔相向射流测试装置，其特征在于：所述示踪粒子为空心玻璃球，直径约10μm，密度为1.03g/mm3。
9.基于权利要求1-8中任一项所述装置的一种多孔相向射流测试方法，其特征在于：该方法具体为：分析三维射流流动结构时，采用PIV独立采样功能捕捉瞬态流场，通过激光器连续发射片光源，由高速相机进行图像采集，对示踪粒子进行捕捉，并同步传至服务器存储；当量测水平面射流流场时，激光器放置于水槽头部，直接照射于试验段某一水平面，然后通过放置于水槽底部的相机进行拍摄；当量测竖直面射流流场时，激光器放置于水槽底部，直接照射于试验段某一竖直面，然后通过放置于水槽头部的相机进行拍摄；采集得到的图像，利用PIV流场计算软件(JFM)对BMP格式的图像进行处理，统计分析样本容量初选为5000张图像。
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