水工模型试验测量技术综述

水工模型试验测量技术综述

摘要:水工模型试验是解决工程实际问题，为理论研究和工程设计提供依据的重要手段。基础数据的准确度与精确度直接关系到试验成果的质量，因此试验中的测量技术非常关键。流速、流量、水位、压力、地形、泥沙含量等是模型试验中测量的主要数据，本文主要介绍了模型试验中这些数据的测量技术及存在的问题。

关键字:水工模型试验测量方法发展现状问题分析

引言

水工模型试验是根据相似原理，按照一定的相似比将需要研究的对象，如河流、水工建筑物等按一定比例缩小后，在缩小的模型中复演与原型相似的水流，进行水工建筑物各种水力学问题研究的实验技术，旨在定性或定量的揭示其运动规律或水力学特性，为理论研究和工程设计等提供依据。

自1870年弗劳德(Froude)首先按水流相似准则进行了船舶模型试验以来，随着水利事业的发展，水工模型试验水平在很大程度上有了提高，在理论设计、模型制作、试验测量、数据处理等方面都有了创新突破和发展。

模型试验中的数据测量对试验结果的质量起着至关重要的作用，数据的精确度和准确度直接关系到科研成果的质量。在水工模型试验中主要需要控制和测量的参数有流速、流量、水位、压力、地形、泥沙等，测量仪器的精度、范围、性能等决定着测量结果的准确性，因而优良的测量技术是模型试验的前提和保障。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，但尚存在一些问题有待进一步研究，本文主要论述模型试验测量技术的发展及现在存在的一些问题。1.发展现状

1.1流速测量技术

流体的流速是流场最基本的物理量之一，对流体流动特性的认识很大程度上取决于流场的获得，而大多数描述流场的物理量都直接或间接与流速有关，如环量、涡量、流函数、流速势函数等等。在模型试验中流速的测量非常重要，随着技术的创新突破，流速的测量技术取得了较快的发展，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、电磁流速仪、超声波多普勒流速仪（ADV）、激

光多普勒流速仪（LDV）、粒子图像测速仪（PIV）发展到VDMS法[1-3]。

毕托管是由亨利·毕托(Henri Pitot)于1730年首创，是一种古典的测量仪器。毕托管测速的基本原理是基于流体力学的能量方程，在定常、理想无粘、不可压假设下简化为的伯努利方程，是一种利用压差、单点、定常的接触式测量仪器，测量过程中，仪器本身会对流场产生扰动。毕托管结构简单，使用、制造方便，受条件的限制，毕托管一般只用于平均流速和平均流量的测量，且一般适用于测量中高流速（流速大于0.15m/s）的稳定流，目前已很少用于模型试验的流速测量。

旋浆流速仪主要分为电阻式旋浆流速仪、光电式旋浆流速仪和电感式旋浆流速仪三类，用于测定流水中预定测点的时均流速。其基本原理是将固定在传感器支架上的旋浆置于水流中的预定测点，旋浆正对水流方向，在动水压力的作用下旋浆转动，流速越大转动越快，用适当的传感器和计数器记录单位时间旋浆的转数，再根据率定曲线求出水流流速。目前水工模型中应用最为普遍的是光电式旋浆流速仪，其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。旋浆式流速仪属于单点、接触式测速仪器，测流过程中会对流场产生扰动，且对小于旋浆启动流速的小流速无法测量[1]。

热线／热膜流速仪[4]是利用放置在流场中具有加热电流的细金属丝(直径0．5～5 um)来测量风速的仪器。在金属丝中通过加热电流，当金属丝周边的流速变化时，金属丝的温度就随之改变，从而产生了电信号的变化，这种电信号的变化和流速之间具有单调的一一对应关系，通过测量电信号的变化就可以得到实际流场的流速。热线／热膜流速仪能够测得瞬时流速，对流场扰动干扰小，但对水质要求较高，水流必须清洁无杂质，否则当有杂质附着在金属丝上时，就会改变金属丝的热耗散率，产生测量误差，所以常用于空气动力学实验，在含沙量大的水流中基本不用。

电磁流速仪[5]的原理是根据法拉第的电磁感应定律，把水流作为导体测量水流速度的仪器。其测量管光滑无阻、压力损失小、精度高，对水流扰动小，但其制作成本高，且极易受电磁信号

干扰，在水工模型试验中应用不多。

超声多普勒流速仪(ADV)和激光多普勒测速仪（LDV）分别是基于超声波和激光的多普勒效应来测流速的[1]，均是非接触式、单点、高分辨率、三维多普勒流速仪，其测流过程中对流动没有干扰，动态响应快，测量精度高。超声多普勒流速仪的测点可以离边界非常近，可用于极慢流速测量并可测垂线流速的分布，测速历时短、测速范围大，但由于结构复杂，价格昂贵，在水工模型试验中应用较少。

粒子图像测速仪（PIV）的基本原理是在流场中撒入示踪粒子（粒子的密度比水略大，可以悬浮在水中，粒径大致为10-12μm，具有良好的示踪性和足够的散射率），利用系统配套的摄像设备获取粒子的运动轨迹图像，然后应用自相关或互相关技术分析粒子图像从而获得流

场信息，粒子的速度就代表了相应流场的速度。PIV可以实现非接触瞬态全流场的测量，而且不破坏流场，传统的三维PIV技术只能拍摄到水流表面的粒子图像，只能测量粒子表面的流场，无法测得水流的垂向流速分布。随着计算机技术和图像处理技术的发展，产生了三维PIV 技术，通过CCD像机获取粒子运动图像，通过Insight3G软件进行处理得到粒子的矢量速度进而得到流场的相关参数，三维PIV即对平面流场进行量测，在获得二维速度场的同时可以获取第三个空间速度分量[6]。VDMS是表面流场实时测量系统的英文简称，VDMS法是基于粒子图像测速技术（PIV）中的粒子跟踪测速技术发展的大范围测速系统，可实现对大范围的恒定流和非恒定流试验表面流场的实时测量，快速准确的得到模型试验研究区域内的流场、断面流速分布以及单个或多个测点的流速矢量变化过程[2]。

1.2流量测量技术

模型试验流量测量的仪器很多，每种测量仪器都有其各自的特点和特定的适用性和局限性。

水工模型试验中比较传统的测流量仪器是量水堰，包括三角堰、矩形堰和复式堰。量水堰属堰槽类量水仪器，亦是目前试验室测定流量最精密的常规仪器[7]。直角三角形量水堰因其结构简单、制作方便，用于小流量时精度高等优点而倍受欢迎。量水堰的流量计算公式是根据能量方程推求的，所以量水堰的流量计算公式有多个，且不同的计算公式测得的结果往往相差很大，所以在用量水堰进行流量测量时选取适当的流量计算公式很重要。在水工模型试验中，量水堰常常用于开敞明槽流量的测量。

差压式流量计的原理是根据安装在管道中的流量检测件产生的压差，利用已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算流量。常用的有孔板流量计、文丘里流量计、均速管流量计等。随着科技的发展，差压计已发展为三化(系列化、通用化及标准化)程度很高的、种类规格庞杂的大类仪表，它既可测量流量参数，也可测量其它参数(如压力、物位、密度等)。应用最多的孔板式流量计因其结构牢固，性能稳定可靠，使用寿命长，造价低而广泛使用，但其测量精度偏低，水力损失大（孔板和喷嘴等处），随着新型流量计的出现，其使用量百分数逐渐下降[8]。

浮子流量计，又称转子流量计，在一根由下向上扩大的垂直锥管中，圆形横截面的浮子的重力是由液体动力承受的，可以随着流量变化而升降，改变它们之间的流通面积来进行测量的体积流量仪表，适用于小管径和低流速且水力损失较低。

电磁流量计[8]是根据法拉弟电磁感应定律制成的一种测量导电性液体的仪表。电磁流量计通常由对应型号的电磁流量传感器和电磁流量转换器组成。电磁流量转换器可将来自传感器的微小流量信号转换成与流量成正比的标准电流信号和频率（脉冲）输出，采用全数字处理，如今的电磁流量计已经可以实现在表盘上直接显示累积流量、瞬时流量、流速、流量百分比等。具有抗干扰能力强，精度高，且可保证低流速的测量精度等优点。测得体积流量实际上不

受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的明显影响，在模型试验中的管道流测量中应用广泛。

超声流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法(直接时差法、时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。超声流量计和电磁流量计一样，因仪表流通通道未设置任何阻碍件，均属无阻碍流量计，是一种非接触式的流量计，无压力损失。超声波流量计也有一定的局限性，如传播时间法只能用于清洁液体和气体，而且只有在所处管道满流时才能达到较高的测量精度；而多普勒法只能用于测量含有一定量悬浮颗粒和气泡的液体，且多普勒法测量精度不高。

此外，还有涡轮流量计、涡街流量计、V锥流量计、容积式流量计[3]。

1.3水位测量技术

水位是模型试验中必不可少的水力要素。目前用于模型试验的水位测量仪器主要有：水位测针、数字编码探测式水位仪、跟踪式水位仪、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[1,3]。

水位测针是一种比较传统的水位测量工具，由于测针稳定可靠，测量精度高，在现在的模型试验中仍有广泛的应用；但在测量过程中费时较多，且不易同时测量多点水位。跟踪式水位仪、探测式水位仪、振动式水位仪、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。具有功能强精度高的特点，在模型试验中应用广泛。但是机械传动部分容易因磨损产生误差，且水位跟踪速度受步进电机驱动速度的影响。超声波水位仪是利用超声波反射原理测量水位，可实现多点水位同步测量，但测量精度易受环境温度等的影响[1]。

1.4压力测量技术

压力也是水工模型试验中需要测量的一个重要的水力参数。模型试验中常需要测定脉动压力和时均压力。

时均压力是流体脉动特性产生的平均值，传统的测量时均压力的仪器是应用连通器原理的测压管，具有稳定可靠的特点，但是由于测量时均压力的测点较多，测压管的读数需要人工测读，工作量大。

脉动压力测量的仪器和传感器应具有采样频率高、灵敏度高、体积小、防水性能好等特点。主要仪器有：压力传感器(应变片式压力传感器、压电式压力传感器、总力传感器)、计算机压力测量系统、应力应变测量(动态电阻应变仪、钢弦应变仪)、六分量测量、压强和总力测量系统等[3,9]。压强和总力测量系统采用先进的集成压电式压力传感器、高集成运算放大器电路和计算机硬、软件技术最新研制而成，系统可同步采集处理多点压强和多点总力[9]。

1.5 地形测量技术

水工模型试验中的地形是根据实际地形资料根据相似原理按找一定的比例缩小而成的，模型地形的测量稍有误差就有可能对试验结果产生较大的影响。

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先进技术的发展，河工模型地形测量技术正从人工测量向自动测量、从接触式测量向非接触式测量、从单点向多点测量发展,逐渐发展了光电反射式地形仪、电阻式地形仪、跟踪地形仪、超声地形仪、激光扫描仪等仪器以及近景摄影测量技术[3,10]。其中光电反射式地形仪、电阻式地形仪、跟踪地形仪都属于接触式地形仪，测量时探头需要接触河床面，单点测量，测量效率和精度较低，且对水流和地形有一定的干扰，逐渐被非接触式地形仪取代[10]。超声地形仪、激光扫描仪属非接触式地形仪，测量效率和精度高，对水流和地形无干扰。激光还具有测距远的优点，可实现三维地形的大范围瞬时测量，但激光在水下衰减快，且在水中和空气中的传播速度不一样，无法直接进行深水条件下水下地形的测量。超声波具有水下传播距离远的特点，弥补了激光的不足，但抗干扰能力不强，可用于水下瞬时非接触测量。马志敏等[11]利用超声波实现水下地形无接触快速扫描测量和利用激光与CCD光学成像原理实现水上地形的无接触快速测量相结合的方法，实现了水上、水下地形的同时测量。

1.6泥沙测量技术

天然河流中，含沙浓度随流域的来沙条件、水流条件和边界条件而变化，为了准确的模拟原型中的泥沙运动，有时必须测定模型试验中水体的含沙量，以便控制模型试验的各种参数，确保试验成果的质量。模型试验中含沙量的主要测量仪器和方法有烘干称重法、比重瓶法、CYS一Ⅲ型智能测沙颗分仪、超声波测沙仪、同位素测沙仪、激光测沙仪[1,3]。烘干称重法、比重瓶法是直接的测量方法，通过测得泥沙的重量测得含沙量，测量精度高，但操作过程繁杂，不能连续、实时的进行含沙量测量。光电测沙仪、同位素测沙仪、激光测沙仪、声波测沙仪都是间接的测量方法，原理是利用光电信号、激光信号或超声波信号的衰减与含沙量的关系测得泥沙含量，可以实现实时连续的含沙量测量，但光电信号、激光信号或超声波信号的衰减容易受泥沙的形状、大小、物理和化学性质的影响，在高含沙水流中测量误差较大。

2.存在问题分析

水工模型试验中的测量技术和仪器在不断更新和优化，但仍然存在一些问题。目前用于模型试验中的流速测量仪器主要是旋浆流速仪和粒子图像测速仪（PIV）。旋浆流速仪可测量流速的垂向分布，但属于接触式测量，测速过程中对流场的扰动较大。PIV测速系统是非接触

式测量，但主要测得表面流场分布，尚不能测量垂向流速分布，尽管三维PIV技术的发展，可以测得垂向速度的一个分量，但也不能完全确定垂向速度分布。水位测量技术虽然已经实现了多点同步采集，但尚未实现全场测量。地形测量技术虽然实现了由人工向自动化、接触式向非接触式的发展，但水下地形测量的仪器大都属于单点测量，测量效率较低，浑水地形的测量精度不高，能实现多点快速测量的仪器无法实现水下地形的测量。含沙量测量技术随着光学、声学技术的发展，已经实现了连续、实时的含沙量测量，但是测量精度有待提高，而且全场的瞬时含沙量分布无法测量。

测量仪器随着先进技术的发展，模型试验测量仪器也得到了发展，但新型的高新科技仪器普遍造价偏高，有的还存在抗干扰能力差，操作复杂，操作环境要求高等缺点，这也是有些测量仪器无法得到普遍使用的一个重要原因。

3.结语

随着水利事业的发展，大型水利工程日益增多，在建和待建的大型水利工程由于工程本身的重要性和复杂化，需要解决的技术难题越来越多。解决实际工程中的重大技术难题的重要手段之一是水工模型试验。而在一些重要的模型试验中，如果没有先进的量测仪器和量测技术以及这些量测技术的联合运作，就不可能得到高质量的研究成果，水利工程模型试验量测技术已成为不可或缺的技术手段。为适应水利事业的发展形势，结合模型试验中遇到的各种问题，克服仪器自身的缺陷，不断改进创新，是测量技术不断进步发展的方向，随着计算机技术及测量控制技术的发展，三维全场测量技术是今后模型试验测量技术发展的方向。

参考文献

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