CN111929464B - 一种用于垂线平均流速测量的水体跟踪浮标 - Google Patents

一种用于垂线平均流速测量的水体跟踪浮标 Download PDF

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Abstract

本发明一种用于垂线平均流速测量的水体跟踪浮标，属于水利测量领域。包括：微型高亮浮球，浮球系线，浅水段跟随板，深水段跟随板，跟随板系线，下垂系线，平衡球。本发明的有益效果在于能够获取多种不同深度和复杂垂向流速分布条件下的垂向平均流速。

Description

一种用于垂线平均流速测量的水体跟踪浮标
技术领域
本发明提出一种用于垂线平均流速测量的水体跟踪浮标，属于水利测量领域。
背景技术
浮标测流法是水利测量中常用的测量流速的方法。通常，只要采用醒目的上浮体，稳定的下部跟流装置都能获得较好的效果。
但是该方法只能测量表面流速，不能垂线流速平均流速。因此它往往不能用于测量断面流量。因为流量是通过对全断面流速的积分获得的一个面通量。涉及到断面形状和流速双重测量。即使在矩形断面或者梯形断面中，断面形状虽然可以通过测量水位获得，但由于明渠中流速分布存在明显的垂向不均匀性和横向不均匀性，仍无法通过单浮标流速获得断面平均流速，进而得到断面流量。
通过牛顿-莱布尼兹公式可知断面平均流速可以通过某一垂线平均流速代表。进一步地，牛顿-莱布尼兹公式又告诉我们垂线平均流速可以通过垂线上的单点流速代表。因此如果能够直接获得能够代表垂线平均流速的单点流速测量结果，将对浮标法测量流量具有重大的推动作用。
从理论角度采用浮标法测得流量的方法需要面临两个挑战：
1)利用浮标获得垂向平均流速；
2)利用浮标获得断面平均流速。
现有技术采用PIV方法获得平面上的流速分布，对表层平面流速分布与流量进行相关性计算获得流量。但是由于该方法容易受到风速等外力的影响，虽然其有广泛的适用空间，但是并没有扎实的数理基础。
对于利用浮标获得垂向平均流速的困难主要表现在两个方面：
1)深度的不一致性；不同的水深使得垂线长度不同，因此其代表流速的水深位置也不同。
2)垂向流速分布的复杂性；垂向流速分布在明渠均匀流中一般是指数分布形式，但是在复杂水流中就很难保持指数分布。
另外由于浮标本身的惯性，在断面流速发生突变的位置和时间点进行浮标法测量流速往往造成很大的误差。
发明内容
针对以上困难，本发明公开一种用于垂线平均流速测量的水体跟踪浮标，其功能是直接获取多种不同深度和复杂垂向流速分布条件下的垂向平均流速。
具体而言本发明包括：微型高亮浮球，浮球系线，浅水段跟随板，深水段跟随板，跟随板系线，下垂系线，平衡球。
所述的微型高亮浮球直径38mm，上半球为导光有机玻璃包裹高亮度二级管，下半球2mm厚有机玻璃球壳，密封无包装锂电池、感应充电线圈及其相关电路。
所述的浮球系线长度为42mm，浮球系线边长为2mm的正方形，材质为钛合金；
所述的浅水段跟随板上下面为抛物线曲面，两侧立面为平面，所述的抛物线曲面方程为：
y＝0.425x2
浅水段跟随板为上下面和两侧立面围成一个空腔，空腔中间设过线孔使得空腔密闭。
所述的深水段跟随板由8片等边三角型组成，8个三角形的一个顶点与一个铝合金圆管相连，圆管内为方孔，外型为圆管。
跟随板系线穿过浅水跟随板的过线孔，穿过铝合金圆管的方孔，连接到下垂系线，最后连接到平衡球上，其中上跟随板过线孔和铝合金圆管的方孔内径均为2mm；
上跟随板与下跟随板通过一段轻质弹簧相连，弹簧弹性模量为2N/m，空载垂直悬挂状态长度为12.5cm，重量为200g。轻质弹簧套在跟随板系线外侧，上下分别与浅水段跟随板的过线孔边缘和深水段跟随板铝合金圆管相连。
设计后使得浅水段跟随板，深水段跟随板及中间的轻质弹簧总平均比重为0.96-1.03g/cm3。这样使得浅水段跟随板，深水段跟随板和轻质弹簧构成一个悬浮整体。
下垂系线上面与跟随板系线相连，下面跟平衡球相连，平衡球配重使得整个装置在水中的状态基本竖直，能满足漂浮不倾倒的要求。
将本发明的水体跟踪浮标丢入水下后，它会跟随水流自动运动，当水深处流速较大时，由于本装置与流速的差值使得在浅水段跟随板上产生动力压差，进而使得浅水跟随板和深水跟随板一起向深水方向运动，当深水跟随板到达一定深度时，浅水跟随板上下面的压差不足以使得跟随板上下运动，此时深水跟随板跟随深水处的流速运动，此时微型高亮浮球的运动速度，就是跟深水跟随板的运动速度。若表面流速较大，则由于动力压差作用，浅水段跟随板带动弹簧和深水跟随板向一起向浅水运动，同样当浅水段跟随板上下面的动力压差不足以使得浅水段跟随板继续向表面运动，则使得深水段跟随板在浅水中跟随运动。此时微型高亮浮球反映的是浅水段流速。发明人经过多种跟随板尺寸组合试验，发现当采用以上设计时，浅水段跟随板能够拉动或推动深水段跟随板和弹簧，使得深水段跟随板所处位置流速均为垂线平均流速点。
本发明的有益效果在于：
1、能够直接测得所在位置的垂线平均流速。
附图说明
图1本发明一种用于垂线平均流速测量的水体跟踪浮标整体示意图；
图2本发明一种用于垂线平均流速测量的水体跟踪浮标浅水段跟随板俯视示意图；
图3本发明一种用于垂线平均流速测量的水体跟踪浮标深水段跟随板俯视示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出实施例并对本发明进行具体描述。
实施例一
本发明公开一种用于垂线平均流速测量的水体跟踪浮标，其功能是能够获取多种不同深度和复杂垂向流速分布条件下的垂向平均流速。
具体而言本发明包括：微型高亮浮球1，浮球系线2，浅水段跟随板3，深水段跟随板4，跟随板系线，下垂系线5-1，平衡球5。
所述的微型高亮浮球1直径38mm，上半球为导光有机玻璃包裹高亮度二级管，下半球2mm厚有机玻璃球壳，密封无包装锂电池、感应充电线圈及充电电路和发光电路。
所述的浮球系线2长度为42mm，浮球系线2边长为2mm的正方形，材质为钛合金；
所述的浅水段跟随板3上下面为抛物线曲面，两侧立面为平面，所述的抛物线曲面方程为：
y＝0.425x2
浅水段跟随板3为上下面和两侧立面围成一个空腔，空腔中间设过线孔3-1使得空腔密闭。
所述的深水段跟随板4由8片等边三角型组成，8个三角形的一个顶点与一个铝合金圆管4-1相连，圆管内为方孔，外型为圆管。
跟随板系线穿过浅水跟随板的过线孔3-1，穿过铝合金圆管4-1的方孔，连接到下垂系线5-1，最后连接到平衡球上5，其中上跟随板过线孔3-1和铝合金圆管4-1的方孔内径均为2mm；
浅水段跟随板与深水段随板通过一段轻质弹簧3-1相连，弹簧弹性模量为2N/m，空载垂直悬挂状态长度为12.5cm，重量为200g。轻质弹簧3-2套在跟随板系线外侧上下分别与浅水段跟随板3的过线孔3-1边缘和深水段跟随板4铝合金圆管4-1相连。
设计后使得浅水段跟随板3，深水段跟随板4，铝合金圆管4-1及中间的轻质弹簧3-2总平均比重为0.96-1.03g/cm3。这样使得浅水段跟随板3，深水段跟随板4和轻质弹簧3-2构成一个自适应悬浮整体。
下垂系线5-1上面与跟随板系线相连，下面跟平衡球5相连，平衡球5配重使得整个装置在水中的状态基本竖直，并且总比重为0.65-0.8之间，能满足漂浮的要求。
将本发明的水体跟踪浮标丢入水中后，它会跟随水流自动运动，当水深处流速较大时，由于本装置与流速的差值使得在浅水段跟随板3上产生动力压差，进而使得自适应悬浮整体一起向深水方向运动，当自适应悬浮整体到达一定深度时，浅水跟随板上下面的压差不足以使得自适应悬浮整体上下运动，此时深水跟随板跟随深水处的流速运动，此时微型高亮浮球的运动速度，就是跟深水跟随板的运动速度。若表面流速较大，则由于动力压差作用，浅水段跟随板带动自适应悬浮整体一起向浅水运动，同样当浅水段跟随板上下面的动力压差不足以使得自适应悬浮整体继续向表面运动，则使得深水段跟随板在浅水中跟随运动。此时微型高亮浮球反映的是浅水段流速。发明人经过多种跟随板尺寸组合试验，发现当采用以上设计时，浅水段跟随板能够拉动或推动自适应悬浮整体，使得深水段跟随板所处位置流速均为垂线平均流速点。

Claims (6)

1.一种用于垂线平均流速测量的水体跟踪浮标，其特征在于，包括：微型高亮浮球，浮球系线，浅水段跟随板，深水段跟随板，跟随板系线，下垂系线，平衡球；微型高亮浮球通过浮球系线与浅水段跟随板相连，浅水段跟随板通过跟随板系线与深水段跟随板相连，下垂系线连接跟随板系线和平衡球；
所述的浅水段跟随板上下面为抛物线曲面，两侧立面为平面，所述的抛物线曲面方程为：
y＝0.425x2
浅水段跟随板为上下面和两侧立面围成一个空腔，空腔中间设过线孔使得空腔密闭；所述的深水段跟随板由8片等边三角型组成，8个三角形的一个顶点与一个铝合金圆管相连，圆管内为方孔，外型为圆管；
所述浅水段跟随板与深水段跟随板通过一段轻质弹簧相连，弹簧弹性模量为2N/m，空载垂直悬挂状态长度为12.5cm，重量为200g，轻质弹簧套在跟随板系线外侧，上下分别与浅水段跟随板的过线孔边缘和深水段跟随板铝合金圆管相连。
2.根据权利要求1所述的一种用于垂线平均流速测量的水体跟踪浮标，其特征在于，所述的微型高亮浮球直径38mm，上半球为导光有机玻璃包裹高亮度二级管，下半球2mm厚有机玻璃球壳，密封无包装锂电池、感应充电线圈。
3.根据权利要求1所述的一种用于垂线平均流速测量的水体跟踪浮标，其特征在于，所述的浮球系线长度为42mm，浮球系线边长为2mm的正方形，材质为钛合金。
4.根据权利要求1所述的一种用于垂线平均流速测量的水体跟踪浮标，其特征在于：所述的跟随板系线穿过浅水跟随板的过线孔，穿过铝合金圆管的方孔，连接到下垂系线，最后连接到平衡球上，其中上跟随板过线孔和铝合金圆管的方孔内径均为2mm。
5.根据权利要求1所述的一种用于垂线平均流速测量的水体跟踪浮标，其特征在于：所述的浅水段跟随板，深水段跟随板及中间的轻质弹簧总平均比重为0.96-1.03g/cm3，浅水段跟随板，深水段跟随板和轻质弹簧构成一个悬浮整体。
6.根据权利要求1所述的一种用于垂线平均流速测量的水体跟踪浮标，其特征在于：所述的下垂系线上端与跟随板系线相连，下端跟平衡球相连，平衡球配重使得整个装置在水中的状态基本竖直，能满足漂浮不倾倒的要求。
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