CN112857739A - 一种水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统，通过将气浮导轨对称设置在槽沿的上端面，气浮导轨设有导轨基座，导轨基座配置有滑块；滑块连接有支撑件，支撑件横跨在水槽本体的上方，支撑件的下端连接有物理模型；导轨基座的端部设有固定挡板，固定挡板横跨在水槽本体的上方，固定挡板靠近支撑件的一侧连接有测力传感器，滑块沿导轨基座移动，支撑件跟随滑块移动，支撑件带动物理模型触碰测力传感器。本发明采用气浮导轨，气浮导轨稳定性好、摩擦力小的特性，实现了物理模型近乎无摩擦状态的平移，水槽试验中，可以测量任意复杂形态或布局的物理模型水流作用力，测量效率高，精度准。

Description

一种水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统

技术领域

本发明涉及物理测量技术领域，具体涉及一种水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统。

背景技术

目前，水问题的研究主要依靠基础理论、数值模拟和物理模型试验。但是鉴于此类问题的复杂性，且许多问题的机理性尚未认识清楚，许多技术问题还难以通过理论分析或数值模拟准确判断和预报，有必要开展相应的物理模型试验研究，提高水灾害形成机理及防治研究水平。实际上，物理模型试验作为工程科研、技术应用研究的重要基础，一直都是各大科研院所学科能力建设过程中的重中之重，国内外大量重点工程建设的规划、可行性研究阶段，其中的关键问题无不需要通过物理模型来研究解决，早期工程中的水流泥沙问题，大都也采用原型观测和物理模型试验方法加以解决。

水槽是一种常见的水工或河工物理模型试验装置，宽度一般在0.4～0.8m，高1～2m，长20～30m，流量50～200L/s，也有一些根据需要建设的较大尺度的水槽。水槽主要用于研究水流作用下的工程水沙问题，例如涉水建筑物阻水、水流与建筑物的交互作用、水下工程结构局部冲刷等，以此形成的成果可以用于指导涉水建筑物结构优化设计、水下防护等。试验水槽的运行原理是，水泵从集水池中抽取水，通过量水堰，进入水槽，水泵转速可用变频器调节，从而控制进入水槽水量的大小，量水堰的作用是负责计量入流量，如果与试验所需的流量有偏差时，则需要调节水泵抽水量；进入水槽的水流流经物理模型(如果有)，两者交互作用引起的水流变化、模型表面荷载变化、水下地形变化等，作用在物理模型上的水流力如何测量一直是试验者所关心的。

物理模型试验的原理是按照相似性原理，按一定的比例尺制造缩尺实物模型，通过模型试验获得流速、流量、作用力等物理量，用于预测原型水流运动现象。水流作用力在一些模型试验中常常需要关注，例如涉水建筑物(桥墩等)阻水问题的研究。涉水建筑物水流力表达式一般形式如下：

式中：F为作用在建筑物水下部分的水流力(N)；ρ为流体密度(kg/m³)；A为建筑物水下部分在垂直于水流运动方向上的投影面积(m²)；U为建筑物迎水面来流速度(m/s)；C_D为建筑物的阻力系数。

现阶段，对于一些简单截面形状的墩柱阻力系数，已见很多文献介绍，也包括我国的《港口工程技术规范》。相对于这些简单形状，实际工程中的桥梁或码头墩柱都是以集群形式出现，柱体之间存在垂直水流方向的横向扰动、顺水流方向的纵向遮蔽影响，使得群柱的绕流特征更加复杂，要想得知墩柱群或者复杂截面形状水下建筑物的阻力系数，物理模型试验是必要的工作。

压强法是最早出现的一种模型水流力测量方法，以圆柱形模型为例，通过设置在圆柱表面的测压孔，可以获得柱表面的压强分布，即可推算出柱体所受到的水流阻力：测压孔通过胶皮管与测压计相连；为避免胶皮管对水流的干扰，圆柱体空心，胶皮管通过内壁连接测压孔和测压计。压强法具有设备简单的特点，但由于从测压孔到测压计需要通过胶皮管连接，测孔太多时，连接复杂，不便于采用，精度也很难得到保证。还有一种不采用测压孔的类似方法，通过将测压传感器贴在待测模型的表面，采集相应的信号并做数据处理，但在测点过多的情况下，也难以推广使用，且表面贴传感器，会干扰水流，影响测力精度。

相对于压强法的局限性，悬挂法测量模型水流力更显实用。通过将模型的一端与贴有应变片的悬臂梁相连，将模型浮起。当水流流经模型时，水流作用力导致悬臂梁变形，利用载荷与悬臂梁变性之间的关系，计算模型承受的水流力。悬挂法物理过程简单，测量方便，但应变片反应敏感，模型更换时都需要重复率定悬臂梁饶度和载荷的关系，一定程度上削弱了试验效率。

综上所述，亟需一种新的水槽试验用的物理模型水流作用力测量技术方案。

发明内容

为此，本发明提供一种水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统，替传统的压强法或悬挂法测力，解决物理模型上的水流力测量效率低及精度差的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统，包括用于承载水流的水槽本体，所述水槽本体的两侧向上延伸形成槽沿，此外，还包括气浮导轨，所述气浮导轨对称设置在所述槽沿的上端面，气浮导轨设有导轨基座，所述导轨基座配置有滑块；所述滑块连接有支撑件，所述支撑件横跨在所述水槽本体的上方，支撑件的下端连接有物理模型；

所述导轨基座的端部设有固定挡板，所述固定挡板横跨在所述水槽本体的上方，固定挡板靠近所述支撑件的一侧连接有测力传感器，所述滑块沿所述导轨基座移动，所述支撑件跟随所述滑块移动，支撑件带动所述物理模型触碰所述测力传感器。

作为水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统的优选方案，所述水槽本体成U型，两幅气浮导轨平行的设置在所述槽沿的上端面。

作为水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统的优选方案，所述支撑件的顶部设置有配重铅块，所述配重铅块将所述支撑件压在所述滑块的上方。

作为水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统的优选方案，所述支撑件的下端通过连接件将所述物理模型悬挂于所述水槽本体内的水流中；所述物理模型的底部与所述水槽本体的底部预留有间隙。

作为水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统的优选方案，所述支撑件靠近所述测力传感器的一端呈尖状；所述测力传感器采用型号为LFC-10H的微型压式传感器。

作为水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统的优选方案，还包括无线开关量采集模块，所述无线开关量采集模块与所述测力传感器之间电连接，无线开关量采集模块用于采集测力传感器转换的水流力模拟信号。

作为水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统的优选方案，还包括无线开关量接收模块，所述无线开关量接收模块与所述无线开关量采集模块之间建立连接关系，无线开关量接收模块用于接收无线开关量采集模块传递的水流力模拟信号。

作为水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统的优选方案，还包括计算机端，所述计算机端与所述无线开关量接收模块通过USB接口连接，计算机端用于读取无线开关量接收模块接收的水流力模拟信号。

作为水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统的优选方案，还包括开关电源，所述无线开关量采集模块和测力传感器均与所述开关电源电连接，开关电源用于对无线开关量采集模块和测力传感器提供直流电。

本发明具有如下优点：通过将气浮导轨对称设置在槽沿的上端面，气浮导轨设有导轨基座，导轨基座配置有滑块；滑块连接有支撑件，支撑件横跨在水槽本体的上方，支撑件的下端连接有物理模型；导轨基座的端部设有固定挡板，固定挡板横跨在水槽本体的上方，固定挡板靠近支撑件的一侧连接有测力传感器，滑块沿导轨基座移动，支撑件跟随滑块移动，支撑件带动物理模型触碰测力传感器。本发明采用气浮导轨，气浮导轨稳定性好、摩擦力小的特性，实现了物理模型近乎无摩擦状态的平移，水槽试验中，可以测量任意复杂形态或布局的物理模型水流作用力，测量效率高，精度准。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例中提供的水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统测量原理示意图；

图3为本发明实施例中提供的水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统涉及的硬件模块架构图。

图中：1、水槽本体；2、槽沿；3、气浮导轨；4、导轨基座；5、滑块；6、支撑件；7、物理模型；8、固定挡板；9、测力传感器；10、配重铅块；11、连接件；12、无线开关量采集模块；13、无线开关量接收模块；14、计算机端；15、开关电源。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。

参见图1和图2，提供一种水槽试验用的物理模型7水流作用力测量系统，包括用于承载水流的水槽本体1，所述水槽本体1的两侧向上延伸形成槽沿2，此外，还包括气浮导轨3，所述气浮导轨3对称设置在所述槽沿2的上端面，气浮导轨3设有导轨基座4，所述导轨基座4配置有滑块5；所述滑块5连接有支撑件6，所述支撑件6横跨在所述水槽本体1的上方，支撑件6的下端连接有物理模型7；

所述导轨基座4的端部设有固定挡板8，所述固定挡板8横跨在所述水槽本体1的上方，固定挡板8靠近所述支撑件6的一侧连接有测力传感器9，所述滑块5沿所述导轨基座4移动，所述支撑件6跟随所述滑块5移动，支撑件6带动所述物理模型7触碰所述测力传感器9。

本实施例中，所述水槽本体1成U型，两幅气浮导轨3平行的设置在所述槽沿2的上端面。气浮导轨3采用昆山仁合汇精密量具有限公司生产的气浮XY导轨，气浮导轨3用于承载支撑件6无摩擦平移。

具体的，气浮导轨3是利用压缩空气使滑块5和导轨基座4相对悬浮，可实现无振动的平滑移动，工作时的摩擦力几乎为零，气浮导轨3为直线形，承载能力可以达到100kg，受水槽本体1尺寸的影响，物理模型7一般较小，且多为塑料或木质，重量不高，一般气浮导轨3就可以满足其荷载要求。因此，本发明借助气浮导轨3稳定性好、摩擦力小的特性，将其用于模型水流力测量，根据测量结果推求模型的阻力系数，供工程设计或科研人员使用。

本实施例中，所述支撑件6的顶部设置有配重铅块10，所述配重铅块10将所述支撑件6压在所述滑块5的上方。配重铅块10的数量根据实际情况布置若干，配重铅块10用于平衡水流对物理模型7的偏心力，防止支撑件6因重心不稳影响测量精度。由于物理模型7本身自重较轻，铝制的支撑件6自重一般可以保持稳定性，配置配重铅块10的效果更佳。

具体的，将所述支撑件6靠近所述测力传感器9的一端设计为尖状，便于支撑件6准确的接触测力传感器9。

本实施例中，所述支撑件6的下端通过连接件11将所述物理模型7悬挂于所述水槽本体1内的水流中；所述物理模型7的底部与所述水槽本体1的底部预留有间隙。物理模型7与水槽本体1之间不接触，避免发生摩擦，影响测力精度。

参见图3，本实施例中，还包括无线开关量采集模块12，所述无线开关量采集模块12与所述测力传感器9之间电连接，无线开关量采集模块12用于采集测力传感器9转换的水流力模拟信号。其中，测力传感器9用于输出水流力电信号，测力传感器9采用深圳市力准传感技术有限公司生产的微型压式传感器LFC-10H，量程0～5kg，输出4～20mA信号，精度0.5％F.S。

具体的，无线开关量采集模块12采用上海顺舟智能科技股份有限公司生产的SZ06，采集测力传感器9模拟量信号，并通过ZigBee协议无线传输。无线开关量采集模块12具有无线通信与数据采集的二合一功能。供电电压：5～24V，模拟信号采集类型：4～20mA、0～5V；最大视距传输距离：2000m；网络结构：星型、链型、树型、网状网。

具体的，测力传感器9采用无线输出，无线传输技术采用基于IEEE802.15.4局域网协议的ZigBee无线通信技术，其主要特点是低复杂度、自组织、低功耗，广泛适合用于自动控制和远程控制领域，是一种便宜的近距离无线组网通讯技术。

本实施例中，还包括无线开关量接收模块13，所述无线开关量接收模块13与所述无线开关量采集模块12之间建立连接关系，无线开关量接收模块13用于接收无线开关量采集模块12传递的水流力模拟信号。此外，还包括计算机端14，所述计算机端14与所述无线开关量接收模块13通过USB接口连接，计算机端14用于读取无线开关量接收模块13接收的水流力模拟信号。

具体的，无线开关量接收模块13采用上海顺舟智能科技股份有限公司生产的SZ02，接收无线开关量采集模块12传输的4～20mA数据，并通过模拟的RS232串口上传至数据采集与分析计算机端14，计算机端14用于采集、存储测力传感器9数据，同时将4～20mA(对应0～5kg)转换成力。

本实施例中，还包括开关电源15，所述无线开关量采集模块12和测力传感器9均与所述开关电源15电连接，开关电源15用于对无线开关量采集模块12和测力传感器9提供直流电。开关电源15采用欧姆龙，对无线开关量采集模块12和测力传感器9提供5V直流电。

本发明通过将气浮导轨3对称设置在槽沿2的上端面，气浮导轨3设有导轨基座4，导轨基座4配置有滑块5；滑块5连接有支撑件6，支撑件6横跨在水槽本体1的上方，支撑件6的下端连接有物理模型7；导轨基座4的端部设有固定挡板8，固定挡板8横跨在水槽本体1的上方，固定挡板8靠近支撑件6的一侧连接有测力传感器9，滑块5沿导轨基座4移动，支撑件6跟随滑块5移动，支撑件6带动物理模型7触碰测力传感器9。使用过程，首先由微型测力传感器9LFC-10H将由支撑件6传递过来的水流力转换成4～20mA模拟信号，然后由无线开关量采集模块12进行采集，同时，无线开关量采集模块12进行无线传输，将数据传递到与计算机端14相连的一台无线开关量接收模块13上，继而进入到计算机端14数据采集分析软件系统中。无线开关量采集模块12和测力传感器9均采用欧姆龙开关电源15提供5V直流电。无线开关量接收模块13通过USB接口与计算机端14连接，USB能提供无线开关量接收模块13所需的5V电源，同时，基于无线开关量接收模块13的USB模拟RS232串口通讯功能，计算机端14能方便的读取无线开关量接收模块13接收到的4～20mA模拟信号I_测，并按以下公式转换成所测的水流力：

式中：F_测为作用在物理模型7水下部分的水流力，单位为kg。本发明采用气浮导轨3，气浮导轨3稳定性好、摩擦力小的特性，实现了物理模型7近乎无摩擦状态的平移，水槽试验中，可以测量任意复杂形态或布局的物理模型7水流作用力，测量效率高，精度准。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统，包括用于承载水流的水槽本体(1)，所述水槽本体(1)的两侧向上延伸形成槽沿(2)，其特征在于，还包括气浮导轨(3)，所述气浮导轨(3)对称设置在所述槽沿(2)的上端面，气浮导轨(3)设有导轨基座(4)，所述导轨基座(4)配置有滑块(5)；所述滑块(5)连接有支撑件(6)，所述支撑件(6)横跨在所述水槽本体(1)的上方，支撑件(6)的下端连接有物理模型(7)；

所述导轨基座(4)的端部设有固定挡板(8)，所述固定挡板(8)横跨在所述水槽本体(1)的上方，固定挡板(8)靠近所述支撑件(6)的一侧连接有测力传感器(9)，所述滑块(5)沿所述导轨基座(4)移动，所述支撑件(6)跟随所述滑块(5)移动，支撑件(6)带动所述物理模型(7)触碰所述测力传感器(9)。

2.根据权利要求1所述的一种水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统，其特征在于，所述水槽本体(1)成U型，两幅气浮导轨(3)平行的设置在所述槽沿(2)的上端面。

3.根据权利要求1所述的一种水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统，其特征在于，所述支撑件(6)的顶部设置有配重铅块(10)，所述配重铅块(10)将所述支撑件(6)压在所述滑块(5)的上方。

4.根据权利要求1所述的一种水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统，其特征在于，所述支撑件(6)的下端通过连接件(11)将所述物理模型(7)悬挂于所述水槽本体(1)内的水流中；所述物理模型(7)的底部与所述水槽本体(1)的底部预留有间隙。

5.根据权利要求1所述的一种水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统，其特征在于，所述支撑件(6)靠近所述测力传感器(9)的一端呈尖状；所述测力传感器(9)采用型号为LFC-10H的微型压式传感器。

6.根据权利要求1所述的一种水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统，其特征在于，还包括无线开关量采集模块(12)，所述无线开关量采集模块(12)与所述测力传感器(9)之间电连接，无线开关量采集模块(12)用于采集测力传感器(9)转换的水流力模拟信号。

7.根据权利要求6所述的一种水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统，其特征在于，还包括无线开关量接收模块(13)，所述无线开关量接收模块(13)与所述无线开关量采集模块(12)之间建立连接关系，无线开关量接收模块(13)用于接收无线开关量采集模块(12)传递的水流力模拟信号。

8.根据权利要求7所述的一种水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统，其特征在于，还包括计算机端(14)，所述计算机端(14)与所述无线开关量接收模块(13)通过USB接口连接，计算机端(14)用于读取无线开关量接收模块(13)接收的水流力模拟信号。

9.根据权利要求6所述的一种水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统，其特征在于，还包括开关电源(15)，所述无线开关量采集模块(12)和测力传感器(9)均与所述开关电源(15)电连接，开关电源(15)用于对无线开关量采集模块(12)和测力传感器(9)提供直流电。

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