新上海影都陈诚;贾宁一;蔡守允
【摘 要】在对物理模型试验中流速、地形、水位、含沙量等关键测量技术的发展历程进行同顾的基础上,着重介绍了激光技术、超声波技术、计算机技术及数字图像处理技术等先进技术在模型试验测量中的应用及发展,详细分析了模型试验测量技术的研究应用现状及存在的问题,指出今后的发展趋势是将智能科学、数值模拟、物理模型试验测控技术相结合,研究智能模拟与模型试验测控技术相耦合的三维全场测量技术,并分析了其中的关键技术及相应的技术路线.%Based on review of the development of measurement techniques for model test such as flow velocity, terrain, water level etc, the applications and development of advanced technologies such as laser, ultrasonic, computer and digital image processing are introduced emphatically. The research situations and problems of measurement techniques for model test are analyzed in detail. The development trend of measurement technology which combined intelligence science, numerical simulation, measurement and control technology for model test is pointed out. The key techniques and their routes for thr ee-dimensional full field measurement technology combined intelligent simulation, measurement and control technology are analyzed.
【期刊名称】冰片霜《水利水运工程学报》
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【年(卷),期】2011(000)004
【总页数】5页(P154-158)
【关键词】模型试验;测量技术;智能模拟
【作 者】陈诚;贾宁一;蔡守允
【作者单位】南京水利科学研究院,江苏南京210029;南京水利科学研究院,江苏南京210029;南京水利科学研究院,江苏南京210029
【正文语种】中 文
【中图分类】TV149.2
物理模型试验是人们基于相似理论对河流进行实体模拟，并据此定性或定量地揭示河流运动的内在规律，为理论研究和工程设计提供科学依据的一种研究方法.由于水流运动机理的复杂性及天然河道边界的复杂多变，许多问题很难得出数学解析解，有些问题的解决甚至无一定的规律可循，物理模型试验一直是开展河流研究的重要研究方法.
目前，我国大江大河及河口海岸尚缺乏全面的治理，洪水和风暴潮灾害频频发生，河道、海岸经常出现重大变迁，防洪减灾及河流海岸治理是我国一项长期而艰巨的任务.在当前社会和经济快速发展的新形势下，河流海岸资源的开发利用日新月异，大量工程的实施，对河道和海岸变迁、水生态环境都将产生深刻的影响.因此，如何科学高效地开发利用河流海岸资源、抵御自然灾害、协调开发利用与资源、环境保护之间的关系成为水利科学研究中的热点和难点问题，这些问题的解决需要不断提高物理模型试验研究水平，而物理模型试验研究水平的提高在很大程度上取决于模型试验测量技术的创新和突破.物理模型试验中需要测控的关键参数包括流速、地形、水位、含沙量等［1］.近年来随着激光技术、超声波技术、计算机技术及数字图像处理技术等先进技术的发展，模型试验测量技术有了较快的发展，但尚存在诸多问题有待进一步的研究，本文着重论述模型试验测量技术的研究现状及其发展趋势.
1 研究应用现状
1.1 流速测量技术的发展
流速分布是流体运动的主要特性之一，既是理论分析的基础，也是验证理论的标准，同时还为工程实践提供可靠依据，流速测量是模型试验测量技术中最核心的内容，一直是国内外研究的重点和热点.20世纪以来，流速测量技术取得了较快的发展［2－3］，从单点流速测量发展到多点测量，从单向到多向、从稳态向瞬态发展，从毕托管、旋浆流速仪、热线热膜流速仪(HWFA)、电磁流速仪、超声波多谱勒流速仪(ADV)、激光多谱勒流速仪(LDV)发展到粒子图像测速技术(PIV).
毕托管是一种古典的测量仪器，从原理上说，毕托管测速基于流体力学的能量方程在定常、理想无黏、不可压假设下即成为伯努利方程的原理.一般来说，由于受到上述条件的限制，毕托管只用于平均速度测量或流量测量，且流速宜大于0.15 m/s，适用于测量稳定流，目前已经很少用于模型试验测量.
旋浆式流速仪基本原理是将固定在传感器支架上的旋桨置于水流中的施测点，旋桨正对水
流方向，由于动水压力作用会产生转动，流速越大，转动越快.采用适当的传感器和计数器，记下单位时间转数，就可根据率定曲线求出流速.旋浆式流速仪主要有电阻式、电感式、光电式3种，目前模型试验中采用较多的是光电式旋浆流速仪.近年来，配套新型光电式流速旋浆传感器，采用先进的电子技术、传感技术和计算机硬、软件技术研发的新型智能流速仪，具有流速多机测量及非恒定流速测量与处理等功能，已广泛应用于物理模型试验中.但该仪器属于单点接触式测量，对水流干扰较大，而且对于低于旋浆起动流速的小流速无法测量.
热线热膜流速仪是利用放置在流场中具有加热电流的金属丝来测量流速的仪器.由于金属丝中通过了加热的电流，当流速变化时，金属丝的温度就会随之发生变化，从而产生了电信号.电信号和流速之间具有一一对应的关系，因此检测出电信号就可测出流速.热线热膜流速仪能够测得瞬时流速，对水流干扰较小，使用方便，但对水质有较高的要求，必须清洁无杂质，否则由于杂质沉淀在金属丝表面，会改变热耗散率，将造成测量误差.因此，热线热膜流速仪通常应用于空气动力学实验，在模型试验含沙水流中应用较少.
电磁流速仪是根据法拉第电磁感应定律，把水流作为导体来测量水流速度的流速仪(日本V
M－801HA、荷兰P－EMS等).电磁流速仪传感器较小，对水流扰动小，可用来测瞬变流速和流向，可测量不同水质较大范围的流速，但易受附近电磁场的干扰，目前用于模型试验还比较少.
超声波多谱勒流速仪［4］和激光多谱勒流速仪［5］分别基于超声波和激光的多普勒效应来测量流速的，是非接触式流速仪，可测量三维流速，对流体没有干扰，动态响应快，测量精度高，但由于其结构复杂，价格昂贵，使用条件苛刻，大部分用于水槽实验研究，较少应用于物理模型试验.气体保护焊丝
PIV技术原理是在流场中撒入示踪粒子，通过拍摄粒子图像，应用数字图像处理技术提取粒子速度，以粒子速度代表其所在流场内相应位置处流体的运动速度.由于可以实现非接触瞬态全流场的测量，PIV得到了较快的发展，国内外研究者对用于模型试验的粒子图像测速技术进行了大量的研究［6－9］.南京水科院、河海大学、清华大学、中科院力学所等单位都开发了表面流场测量系统，并得到广泛的应用.但由于只能拍摄到水流表面的粒子图像，只能测量水流表面的流场，而无法测量模型试验水流的垂向流速分布.
1.2 地形测量技术的发展
地形测量是模型试验中最重要也是最困难的测量内容之一，这是因为物理模型是根据实际地形资料，根据相似理论按照一定的比尺缩小而成的，模型地形测量稍有误差，就有可能对试验结果产生较大影响.目前应用到物理模型三维地形的测量技术大致可分为接触式测量仪和非接触式测量仪两类.接触式地形仪主要包括测针、光电反射式地形仪［10］、电阻式地形仪［11］、跟踪式地形仪等.
由于测量时探头需要接触床面，测量效率和精度较低，而且对水流和地形都有一定的干扰，接触式地形仪逐渐被非接触式地形仪取代［12］.非接触式地形仪主要有激光地形仪和超声波地形仪.测量时不需要接触床面，对水流和地形无干扰，测量效率和精度较高.激光具有测量精度高、测量距离远的优点，可实现三维地形的大范围瞬时非接触测量.黄河水利科学研究院引进了法国MENSI公司研制的GS200激光扫描仪来测量模型黄河的地形，在无水条件下的测量取得了较好的应用，但由于激光在水下衰减较快，而且在空气中和水中的传播速度不一样，因此无法直接进行深水条件下水下地形的测量.而超声波具有在水下传播距离远的优点，可用来实现水下地形的瞬时非接触测量［13－15］.北京尚水公司研制的TTMS超声地形自动测量分析系统较好地解决了水下地形的测量问题，但无法同时测量水上及水下地形.此外，测量水下地形时超声波探头需要置于水下，并且有一定的测量盲区，
当水深较浅时无法测量.为了解决水上及水下地形同时测量的问题，武汉大学马志敏等［16］结合了两种非接触快速地形测量技术，即利用超声波实现水下地形非接触快速扫描测量和利用激光实现水上地形的无接触快速测量，但仍是单点连续扫描测量，测量效率和精度都有待进一步提高.可见由于模型试验地形数据的重要性和其对测量精度及效率的高标准要求，近年来随着激光技术，超声波技术，光学技术，计算机技术以及图像处理技术等的发展，模型试验地形测量技术从人工测针测量向自动测量，从接触式测量向非接触式测量发展，但尚未实现三维地形特别是水下地形的大范围瞬时非接触测量.
1.3 水位测量技术的发展
水位是物理模型试验中必不可少的水力要素.目前应用于模型试验的水位测量仪器主要有:水位测针、跟踪式水位仪、数字编码探测式水位仪、振动式水位仪、光栅式水位仪、超声波水位仪等［17］.水位测针是一种古典的水位测量工具，由于测针稳定可靠，且精度较高，所以沿用至今，但测量时费时较多，不易同时测量多点水位.跟踪式水位仪、数字编码探测式水位仪、振动式水位仪及光栅式水位仪都是采用步进电机跟踪水位进行测量的水位仪，只是采用的传感器不同.由于功能强精度高，这些跟踪式的水位仪在模型试验中得到了较为
广泛的应用.但其缺点是机械传动部分易于磨损而产生误差，此外由于受步进电机驱动速度的限制而使水位跟踪速度受到影响.超声波水位仪应用超声波反射原理测量水位，跟踪速度快，并可实现多点水位同步测量，但测量精度易受环境温度等影响.济宁脉管炎医院
1.4 含沙量测量技术的发展
含沙量是模型试验中必不可少的测量要素.在天然河流中，悬沙的含沙浓度高低随流域来沙条件、水流条件和边界条件而变化，为了准确模拟天然河流中的泥沙运动，必须随时测定模型试验中水体含沙量，以便即时控制模型试验的各种参数，确保模型试验成果质量.模型试验含沙量测量方法和仪器主要有烘干称重法、比重瓶法、光电测沙仪、同位素测沙仪、激光测沙仪和超声波测沙仪等［18－20］.烘干称重法和比重瓶法是直接测量法，通过直接测量泥沙的重量来测得含沙量，具有较高的精度，但操作过程复杂，不能进行连续、实时的含沙量测量.间接测量方法主要有光电测沙仪、同位素测沙仪、激光测沙仪、超声波测沙仪，通过测量光电信号、激光信号或超声波信号的衰减与含沙量的关系来进行测量，可以连续、实时的测量含沙量，但无论是光电信号、激光信号还是超声波信号在含沙水流中的衰减受泥沙的形状、大小、物理性质和化学性质等影响较大，特别是在高含沙水流中测量误差较大.
电源转换电路
2 存在问题分析
目前用于模型试验中的流速测量仪器主要有旋浆流速仪和PIV表面流场测量系统.旋浆流速仪可测量流速的垂向分布，但是属于接触式测量方法，对水流干扰较大.PIV表面流场测量系统可以实现非接触瞬态全流场的测量，但在模型试验中，由于只能拍摄到水流表面的粒子图像，只能测量水流表面的流场，而无法测量模型试验水流的垂向流速分布.模型试验地形测量技术从人工测针测量向自动测量，从接触式测量向非接触式测量发展，但尚未实现三维地形特别是水下地形的大范围瞬时非接触测量.水位测量技术已经实现了多点同步采集，但尚未实现全场测量.含沙量测量技术随着光学、声学技术的发展，已实现了连续、实时的含沙量测量，但测量精度还有待提高，而且无法瞬时测量含沙量全场分布.
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