CN116593124A - 立体piv测量冲刷桩墩周围流场的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种立体PIV测量冲刷桩墩周围流场的装置及方法。本发明装置可通过立体PIV系统结合光学折射组件，消除冲刷坑以及不同介质之间的散射和反射等，可最大程度保证冲刷坑内流场的准确性。结合PIVlab软件，基于视野的精细分辨率，根据PIV粒子的离散数据位置生成三维联合网格，并将速度矢量的雷诺分解数据插值到该三维联合网格上，以将相关视野中重叠测量区域同化到相同粒子位移的数据集。本发明量化冲刷桩墩周围流场的湍流结构；确定冲刷坑中特征位置的垂向速度分布模式；分析冲刷边缘的水流分离过程以及与主涡流的相互作用；确定冲刷过程中水流壁面剪应力的时空演变等。
Description
技术领域
本发明涉及近岸/河流水沙动力相关的野外观测及物模实验领域，具体为立体PIV测量冲刷桩墩周围流场的装置及方法。
背景技术
水工建筑物(如桥墩、平台支撑)是近岸及河流中最常见的环境因子。桩墩边界层周围产生的下潜流控制整体流场，挟带高动量的下潜流冲向近壁区使水体旋转，形成所谓的马蹄涡旋。周围水流的局部扰动可导致近壁区剪应力水平增强，进而促进桩墩周围泥沙冲刷坑形成。随着泥沙冲刷坑越来越深，冲刷重心会向桩墩前部移动。后续冲刷坑不断演变，直到达到平衡状态，水流对泥沙颗粒作用力降低到临界阈值以下。当桩墩周围形成稳定冲刷坑时，其内流场始终存在马蹄涡。该漩涡强度在桩墩上游对称平面内最大，而在向侧面弯曲延展时减弱。此类冲刷坑可能对结构物的安全构成严重威胁。冲刷坑动力特性是桩墩基础设计中的必须环节。由于实地观测难以恰好地捕捉到冲刷坑内的马蹄涡旋，且野外作业要耗费大量的人力物力，因此考虑比尺效应的室内物理模型实验是其主要替代研究手段。桩墩冲刷坑量测的实验技术仍需进一步创新和发展。目前尚没有流体侵蚀模型或者泥沙输移模型与冲刷坑内马蹄涡旋的动力特性联系起来，这必然导致所测的实验结果与实际的野外原位数据相差甚远。具体来说，需要获取高空间分辨率的非侵入性实测数据的装置，以便能将主要旋涡系统的动力与预测冲刷坑模型联系起来。
发明内容
基于此，本发明提出立体PIV(粒子图像测速)测量冲刷桩墩周围流场的装置及方法。通过该装置及方法，重点可解决以下问题：量化冲刷桩墩周围流场的湍流结构(包括湍流各向异性和拟序结构)；确定冲刷坑中特征位置的垂向速度分布模式；分析冲刷边缘的水流分离过程以及与主涡流的相互作用(本征正交分解)；确定冲刷过程中水流壁面剪应力(包括粘性剪应力、湍流切应力、分散应力)的时空演变等。
本发明的技术方案为：
构建冲刷桩墩物理模型；
重建物理模型的速度场分量，获得三维联合网格；并将速度矢量的雷诺分解数据插值到该三维联合网格上，以将桩坑衔接视野和桩坑衔接视野中重叠测量区域同化到相同粒子位移的数据集。
量化冲刷桩墩周围流场的湍流结构，包括湍流各向异性和拟序结构。
确定冲刷坑中特征位置的垂向速度分布模式，针对所述的桩坑衔接视野和桩坑衔接视野中感兴趣区域的速度场，以无量纲垂向深度为纵坐标，以无量纲流向速度为横坐标，确定流场结构的自相似特点。
以本征正交分解为辅助算法，将冲刷边缘的水流分离过程独立，将水流壁面剪应力分解为粘性剪应力、湍流切应力、分散应力，确定三项分应力对总水流壁面剪应力贡献占比。
在一些实施例中，由实测的桩墩冲刷坑高程数据定制冲刷坑重塑地形，将桩墩置于冲刷坑重塑地形上并固定，采用满足弗汝德相似的恒定水流条件；将PIV示踪粒子置于来流水体中，满足均匀分布的条件。
在一些实施例中，重建物理模型速度场分量过程中采用立体PIV组件；
所述立体PIV组件包括宽频激光器、激光转向片、稳光片以及
对称布置于桩墩两侧的电荷耦合器件、角度适配器、光学镜头、滤波片和水充棱镜。
所述的宽频激光器位于恒定水流自由面上方，所述的宽频激光器发射口平行于水流自由面；所述的宽频激光器发射绿色波段激光；所述的激光转向片与所述的宽频激光器等高，将水平激光束转换为垂向激光束；所述的稳光片位于所述的激光转向片垂向的正下方，将垂向激光束稳定收敛，过渡至所述的桩墩及水体环境部分；
在一些实施例中，还包括聚甲基丙烯酸甲酯板材，所述的聚甲基丙烯酸甲酯板材位于恒定水流自由面并与所述的桩墩在上游处连接；所述的聚甲基丙烯酸甲酯板材用于消除恒定水流与所述的桩墩相互作用产生的表面波。
在一些实施例中，利用从两个不同角度记录的激光束中相同粒子位移的信息，重建速度场的三个分量，分别为流向分量，垂向分量和展向分量。
在一些实施例中，所述的湍流各向异性评价参数包括雷诺应力各向异性张量以及湍流各向异性第二和第三不变量。
本发明的有益效果：
1、本发明装置结构巧妙，整体性好，效率高，装置成本低。
2、本发明装置可通过立体PIV系统结合光学折射组件，消除冲刷坑以及不同介质之间的散射和反射等，可最大程度保证冲刷坑内流场的准确性。
3、结合PIVlab软件，基于视野的精细分辨率，根据PIV粒子的离散数据位置生成三维联合网格，并将速度矢量的雷诺分解数据插值到该三维联合网格上，以将相关视野中重叠测量区域同化到相同粒子位移的数据集。
4、本发明量化冲刷桩墩周围流场的湍流结构(包括湍流各向异性和拟序结构)；确定冲刷坑中特征位置的垂向速度分布模式；分析冲刷边缘的水流分离过程以及与主涡流的相互作用(本征正交分解)；确定冲刷过程中水流壁面剪应力(包括粘性剪应力、湍流切应力、分散应力)的时空演变等。
附图说明
图1是本发明的装置侧视图。
图2是图1的前视示意图。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“顶部”、“竖直”、“底部”、“内”、“侧”、“垂直”、“上”、“下”、“上端”、“下”、“后方”、“高度”、“前”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1和图2所示，本实施例装置分为桩墩及水体环境部分、流场结构监测部分、立体PIV组件部分。
所述的桩墩及水体环境部分包括桩墩5、恒定水流6、冲刷坑重塑地形10；所述的桩墩位于测量流场的展向中心处；所述的恒定水流迎流所述的桩墩；所述的恒定水流提供稳定的水动力源；所述的冲刷坑重塑地形根据实测野外地形数据定制；所述的冲刷坑重塑地形由铝材制作，并经过阳极氧化反应；所述的冲刷坑重塑地形外层涂罗丹明B改性，以减少表面光反射。
所述的立体PIV组件部分包括宽频激光器1、激光转向片2、稳光片3、聚甲基丙烯酸甲酯板材4、第一电荷耦合器件13、第二电荷耦合器件14、第一角度适配器15、第二角度适配器16、第一光学镜头17、第二光学镜头18、第一滤波片19、第二滤波片20、第一水充棱镜11、第二水充棱镜12。所述的宽频激光器位于恒定水流自由面上方，所述的宽频激光器发射口平行于水流自由面；所述的宽频激光器发射绿色波段激光；所述的激光转向片与所述的宽频激光器等高，将水平激光束转换为垂向激光束；所述的稳光片位于所述的激光转向片垂向的正下方，将垂向激光束7稳定收敛，过渡至所述的桩墩及水体环境部分；所述的聚甲基丙烯酸甲酯板材位于恒定水流自由面并与所述的桩墩在上游处连接；所述的聚甲基丙烯酸甲酯板材消除恒定水流与所述的桩墩相互作用产生的表面波；所述的第一电荷耦合器件和第二电荷耦合器件分别对称布置于所述的桩墩的展向两侧；所述的第一角度适配器和第二角度适配器分别连接所述的第一电荷耦合器件和第二电荷耦合器件，以便通过角度位移法安装所述的第一光学镜头和第二光学镜头；所述的第一光学镜头和第二光学镜头分别连接所述的第一角度适配器和第二角度适配器；所述的第一光学镜头和第二光学镜头分别通过调节所述的第一角度适配器和第二角度适配器改变倾角；所述的第一滤波片和第二滤波片分别连接所述的第一光学镜头和第二光学镜头；所述的第一滤波片和第二滤波片仅允许绿光在532nm±5nm的带宽内通过，消除来自冲刷坑表面反射的波长偏移为红色光。所述的第一水充棱镜和第二水充棱镜分别对准所述的第一光学镜头和第二光学镜头的中轴线；所述的第一水充棱镜和第二水充棱镜皆放置在所述的恒定水流的自由面；所述的第一水充棱镜和第二水充棱镜内部充满与恒定水流相同的水体，以消除光在水-空气界面折射而产生光学像差。
所述的流场结构监测部分包络马蹄涡视野8和桩坑衔接视野9。所述的马蹄涡视野8位于桩墩上游处；所述的桩坑衔接视野9位于桩墩和上游冲刷坑衔接处。
本发明提供了立体PIV测量冲刷桩墩周围流场的方法，具体是：
(a)野外实测目标区域的桩墩冲刷坑高程数据，可使用三维地形扫描仪器或者高精度侧扫声呐得到；根据获取的高程数据定制所述的冲刷坑重塑地形；将所述的桩墩置于冲刷坑重塑地形上并固定；实现与野外真实流场满足弗汝德相似的恒定水流条件；将PIV示踪粒子(可替代为铝粉，直径为20-100微米)置于来流水体中，满足均匀分布的条件。
(b)开启所述的宽频激光器，绿色激光通过所述的激光转向片和稳光片照亮所述的水体以及桩墩环境部分；将所述的聚甲基丙烯酸甲酯板材置于所述的恒定水流表面并与所述的桩墩在上游处固定；开启所述的第一电荷耦合器件和第二电荷耦合器件，利用角度位移法调节所述的第一光学镜头和第二光学镜头，安装好所述的第一滤波片和第二滤波片。所述的第一电荷耦合器件和第二电荷耦合器件镜头主轴对准所述的第一水充棱镜和第二水充棱镜；调节焦距，达到目标视野。
(c)利用从两个不同角度记录的激光束(厚度为不大于2mm)中相同粒子位移的信息，重建速度场的三个分量。使用三维标定板像素标定，标定板中多对象应满足三维特性，使用商业软件PIVlab建立校准的位移映射函数；为了满足高空间分辨率的要求，进行多次单独测量：第一次聚焦所述的马蹄涡视野位，第二次聚焦于所述的桩坑衔接视野。
基于所述的马蹄涡视野和桩坑衔接视野的精细分辨率，根据PIV粒子的离散数据位置生成三维(流向、展向和垂向)联合网格，并将速度矢量的雷诺分解数据插值到该三维联合网格上，以将所述的桩坑衔接视野和桩坑衔接视野中重叠测量区域同化到相同粒子位移的数据集；由于强烈的视野内位移，估计PIV粒子缺失严重，互相关算法最终无法识别正确的视野位移，需将有效矢量视为统计上独立的样本。有效样本数在不同视野上有所不同，应侧重所述的马蹄涡视野位，因为确定有效位移矢量的效率在该敏感区域最低。
(d)针对物理模型实验获取的数据，量化冲刷桩墩周围流场的湍流结构(包括湍流各向异性和拟序结构)：
湍流各向异性评价参数表述如下：
其中，bij是雷诺应力各向异性张量；TKE是湍流动能；u是速度矢量；右角撇和上横线分别表述时间脉动值和平均值；δij是克罗内克函数；II和III分别是湍流各向异性第二和第三不变量；λ是自相关矩阵特征值。
拟序结构参数Q表述如下：
其中，x,y,z分别表示流向、展向和垂向；u,v,w分别表示流向、展向和垂向的速度分量。
确定冲刷坑中特征位置的垂向速度分布模式，针对所述的桩坑衔接视野和桩坑衔接视野中感兴趣区域的速度场，以无量纲垂向深度为纵坐标，以无量纲流向速度为横坐标，确定流场结构的自相似特点。以本征正交分解为辅助算法，将冲刷边缘的水流分离过程独立出来，独立的参数依据是外流区与边界层的长度尺度；将水流壁面剪应力分解为粘性剪应力(底床粘滞力所致)、湍流切应力(时间脉动项所致)、分散应力(空间脉动项所致)，确定三项分应力对总水流壁面剪应力贡献占比。
本发明在进行以上所述仅为发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用附属在其他相关产品的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.立体PIV测量冲刷桩墩周围流场的方法，其特征在于：
构建冲刷桩墩物理模型；
重建物理模型的速度场分量，获得三维联合网格；并将速度矢量的雷诺分解数据插值到该三维联合网格上，以将桩坑衔接视野和桩坑衔接视野中重叠测量区域同化到相同粒子位移的数据集；
量化冲刷桩墩周围流场的湍流结构，包括湍流各向异性和拟序结构：
确定冲刷坑中特征位置的垂向速度分布模式，针对所述的桩坑衔接视野和桩坑衔接视野中感兴趣区域的速度场，以无量纲垂向深度为纵坐标，以无量纲流向速度为横坐标，确定流场结构的自相似特点；
以本征正交分解为辅助算法，将冲刷边缘的水流分离过程独立，将水流壁面剪应力分解为粘性剪应力、湍流切应力、分散应力，确定三项分应力对总水流壁面剪应力贡献占比。
2.根据权利要求1所述的立体PIV测量冲刷桩墩周围流场的方法，其特征在于：由实测的桩墩冲刷坑高程数据定制冲刷坑重塑地形，将桩墩置于冲刷坑重塑地形上并固定，采用满足弗汝德相似的恒定水流条件；将PIV示踪粒子置于来流水体中，满足均匀分布的条件。
3.根据权利要求2所述的立体PIV测量冲刷桩墩周围流场的方法，其特征在于：重建物理模型速度场分量过程中采用立体PIV组件；
所述立体PIV组件包括宽频激光器、激光转向片、稳光片以及
对称布置于桩墩两侧的电荷耦合器件、角度适配器、光学镜头、滤波片和水充棱镜；
所述的宽频激光器位于恒定水流自由面上方，所述的宽频激光器发射口平行于水流自由面；所述的宽频激光器发射绿色波段激光；所述的激光转向片与所述的宽频激光器等高，将水平激光束转换为垂向激光束；所述的稳光片位于所述的激光转向片垂向的正下方，将垂向激光束稳定收敛，过渡至所述的桩墩及水体环境部分。
4.根据权利要求3所述的立体PIV测量冲刷桩墩周围流场的方法，其特征在于：还包括聚甲基丙烯酸甲酯板材，所述的聚甲基丙烯酸甲酯板材位于恒定水流自由面并与所述的桩墩在上游处连接；所述的聚甲基丙烯酸甲酯板材用于消除恒定水流与所述的桩墩相互作用产生的表面波。
5.根据权利要求3或4所述的立体PIV测量冲刷桩墩周围流场的方法，其特征在于：利用从两个不同角度记录的激光束中相同粒子位移的信息，重建速度场的三个分量，分别为流向分量，垂向分量和展向分量。
6.根据权利要求1所述的立体PIV测量冲刷桩墩周围流场的方法，其特征在于：所述的湍流各向异性评价参数包括雷诺应力各向异性张量以及湍流各向异性第二和第三不变量。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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