【文章內(nèi)容簡介】 面相應的壓強，根據(jù)實際試驗環(huán)境運用數(shù)值模擬軟件建立出與實際相似的泄洪隧洞模型，再通過在其上設置與水工模型相同數(shù)量的摻氣槽進行數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果與通過運用測量儀器輔助圖像處理技術得出的數(shù)據(jù)進行對比，得出不同流速區(qū)域摻氣槽下游氣泡的分布情況，進而分析得出氣泡的消散上浮規(guī)律，在此基礎上最終歸納出有關高流速緩底坡 平斜直線式泄洪隧洞摻氣保護長度的規(guī)律。 5 第 2 章 試驗設備 本試驗中需要的設備主要有測量設備和攝影設備，其中測量試驗設備清單如表 21所示。圖 中左上為全站儀及三腳架，右上為北京遠大 QDF－ 6熱球式數(shù)字風速儀，左下為中科院 CQ6－ 20xx 摻氣濃度儀，右下為電磁流量計。 表 測量試驗設備清單 圖 試驗儀器設備 用途 設備名稱 水位測量 量水測針 壓力測量儀器 測壓管、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng) 流速測量 高速旋槳流速儀 流量測量 IFM4080K 型電磁流量計 摻氣濃度測量 中科院 CQ6－ 20xx 摻氣濃度儀 風速 北京遠大 QDF－ 6 熱球式數(shù)字風速儀 模型 制作 安裝 全站儀、 水準儀 6 主要測量儀器設備介紹 型摻氣濃度儀 CQ620xx 型摻氣濃度儀是在原 CQ620xx 型摻氣濃度儀的基礎上改進的。采用了單片微型計算機進行數(shù)據(jù)采集和處理，并將處理的結(jié)果 —— 摻氣濃度時間平均值顯示在面板上。 CQ620xx 型摻氣濃度儀的使用方法如下： (1)操作步驟 第一，聯(lián)接摻氣濃度傳感器的引線，引入背面孔的“插線孔”。 第二，接通電源。 第三，按下儀器面板上的“滿度”按鈕。 第四，開啟電源，預熱 20 分鐘以上。正常時，示窗顯示 ，且每秒鐘跳閃一次。 第五，將傳感器置于測試用清水水域，按下待測傳感器所接入的“通道”按鈕。 第六，按下儀器面板上的“調(diào)零”或“測量”按鈕，調(diào)節(jié)對應通道的“清水調(diào)零電阻”（粗調(diào)加細調(diào)）旋鈕，使“顯示窗”示值為“ ”。 第七，選定積分時間。 第八，將傳感器置于測量水域，按下儀器面板上的“調(diào)零”或“測量”按鈕進行測量。 (2)滿度標定 儀器的增益可能隨著時間產(chǎn)生微小的變化（漂移），但只要按下滿度按鈕，變化量就會自動消除。滿度標定由單片計算機自動進行，在電源開啟的條件下，只要按下滿度按鈕，顯示值均設定為 ，與傳感器引線接通與否，以及通道選擇狀態(tài)無關。因此，為了獲得準確的測量數(shù)據(jù)，最好在每次正式測量之前，均進行一次滿度標定。 (3)清水清零 CQ620xx 型摻氣濃度儀的設計清水電阻調(diào)節(jié)范圍是 2002400Ω 。由粗調(diào)電位器、細調(diào)電 位器，和由波段開關控制的固定電阻器組合完成。當選用的傳感器 7 電板形勢差異較大，或不同地獄的水質(zhì)差異較大時，傳感器的清水電阻可能超出出廠設定范圍。如若發(fā)現(xiàn)無論怎樣調(diào)節(jié)面板“清水調(diào)零電阻”（粗調(diào)加細調(diào)）旋鈕，示值均不為零時，可打開摻氣儀的底蓋板進行調(diào)整。若示值總大于 ，將對應通道配置的波段開關撥向標明較大阻值的一端。相反，若示值總小于 ，則應撥向標明較小阻值的另一端。仍然不能調(diào)零時，再由專業(yè)人員參照附錄的提示或在廠家指導下，采用更新跳線的辦法解決。注：此操作應在斷電情況下進行！ 一般情況下，儀器內(nèi)部設置的 固定及可變電阻器組合，通常能夠滿足無摻氣條件下的清水電阻調(diào)節(jié)，使儀器讀數(shù)為零。但在特殊情況下，若清水電阻已超出原儀器設置，此時應由專業(yè)人員在廠家指導下，對固定電阻器進行更換，以適應更大的調(diào)零范圍，但在使用前應進行線性測試。 高速旋槳流速儀 高速 旋槳流速儀是一種大量程的江河水文測速儀器?？捎糜诮?、湖、渠道和水庫等水體，進行各種高、中、低流速測量，也可用于電站壓力管道和某些科學試驗 中，進行高速和特高速測量。 當水流作用于儀器感應部分 —— 旋槳時，旋槳即產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運動，水流速度越快，旋槳轉(zhuǎn)速也越快。它們之間 存在一定的函數(shù)關系，此關系是通過水槽檢定而得出的。 試驗 表明：起轉(zhuǎn)速度到臨界速度之間，函數(shù)呈曲線形式，而臨界流速以上則為一線性關系。 每架儀器檢定結(jié)果，均附有 V～ n 關系曲線圖表和檢定公式： V = bn＋ a （ ） 式中 V表示 流速 (m/s)； n表示 旋槳轉(zhuǎn)速率，等于旋槳總轉(zhuǎn)數(shù) N與相應測速歷時 T之比 ； b 表示 水力螺距 (對應于原標準的 K)單位是 m； a 為 常數(shù) (對應于原標準的C)單位是 m/s； 系數(shù) b、 a 值與旋槳和支承系統(tǒng)的性能有關。因此，對該部分零件務必小心地養(yǎng)護，否則將會影響測流結(jié)果。 水流速度的測定，實際上乃是測量在預定時間內(nèi)流速儀轉(zhuǎn)子 (旋槳 )的轉(zhuǎn)數(shù)。旋槳轉(zhuǎn)數(shù)系利用儀器的接觸機構(gòu)轉(zhuǎn)換出電脈沖信號，經(jīng)由電線傳送到水面的計數(shù)器。旋槳每 20 轉(zhuǎn)發(fā)出一個信號，因此，信號數(shù)乘 20 即為總轉(zhuǎn)數(shù)；測得相應的歷 8 時 T，代入上式即可計算流速。 以上至 10m/s 的函數(shù)關系，通過水槽 試驗 證明是一條直線。因此，如高速端受檢定設備限制，可只檢定至 5m/s，利用上延方法公式延長用至 10m/s。低速曲線部分由實測點繪制 。 單反相機 單反 ， 在光學上就是指單鏡頭反光，即 SLR(single lens reflex)，單鏡頭反光數(shù)碼相機，即 Digital 數(shù)碼、 Single 單獨、 Lens 鏡頭、 Reflex 反光的英文縮寫 DSLR。它能使觀景窗中所看到的影像和膠片上永遠一樣，它的取景范圍和實際拍攝范圍基本上一致，消除了旁軸平視取景 照相機 的視差現(xiàn)象。 在這種系統(tǒng)中， 反光鏡 和 棱鏡 的獨到設計使得 攝影 者可以從 取景器 中直接觀察到通過 鏡頭 的 影像 。 單鏡頭反光照相機 的構(gòu)造圖中可以看到， 光線 透過鏡頭到達反光鏡后，反射到上面的 對焦 屏并結(jié)成影像，透過接 目鏡 和 五棱鏡 ，我們可以在觀景窗中看到外面的景物。拍攝時，當按下 快門 鈕，反光鏡便會往上彈起，軟片前面的快門幕簾便同時打開，通過鏡頭的光線 (影像 )便投影到軟片上使 膠片 感光，爾后反光鏡便立即恢復原狀，觀景窗中再次可以看到影像。 單鏡頭反光相機的這種構(gòu)造，確定了它是完全透過鏡頭對焦拍攝的，它能使觀景窗中所看到的影像和膠片上永遠一樣，它的取景范圍和實際拍攝范圍基本上一致，消除了旁軸平視取景照相機的 視差 現(xiàn)象，從學習攝影的角度來看，十分有利于直觀地取景構(gòu)圖。 常見的單反鏡頭比 固定鏡頭 相機提供了更廣泛的 光圈范圍 ，尤其是增加了最大光圈（舉例來說，在 50毫米 定焦鏡頭 上可見到 甚至到 等級的最大光圈）。 單反 精確的取景和對焦，這一點對于微距和遠距攝影特別重要 。 9 第 3 章 模型試驗 模型試驗概況 本項目主要針對高流速、緩底坡泄洪隧洞的特點，利用系統(tǒng)分析的方法，結(jié)合大渡河長河壩水工試驗模型，綜合運用模型試驗、數(shù)值模擬、圖像處理等技術研究水流摻氣后氣泡的運動消散規(guī)律， 從而得出不同流速區(qū)域適用于緩底坡泄洪隧洞的摻氣槽摻氣保護長度的相關規(guī)律，以期對同類工程設計提供參考。 在 20xx年 5月至 20xx 年 9 月期間，主要完成了試驗數(shù)據(jù)獲取的工作。 依托以 1:50 的比例尺建立的四川大渡河長河壩泄洪隧洞模型（如 圖 41） ，設置多組不同的試驗條件，控制變量，運用傳統(tǒng)測試方法 —— 插式 和貼片式儀器測量不同點位處摻氣濃度，同時用單反相機獲取該點位處水流的照片。每個點位處進行多次試驗，保證試驗數(shù)據(jù)在一定程度上的穩(wěn)定性。采集不同位置的數(shù)據(jù)點，獲得具有代表性的數(shù)據(jù)。 試驗設備的 使用及優(yōu)化 照片效果優(yōu)化準備 在試驗中，運用控制變量法的思想，在拍照的時候要保持單反相機的視野范圍基本不變，需要控制相機到模型的距離一定，同時為了提高單反相機照相的質(zhì)量，決定制作 一個斜木架來固定相機，同時標上刻度，每次測量只要在相同的刻度處拍攝即可，按照拍攝需求以 1:1 比例畫出斜木架結(jié)構(gòu)圖，如圖 所示。 圖 斜木架結(jié)構(gòu)圖 10 但由于經(jīng)費和工作人員的缺乏，斜木架并沒有做成，最后決定使用測量學實習時用的三腳架（ 如圖 ） 來替代斜木架，同時在平行于模型底板一定距離處設置一根參考線，使相機固定在三腳架上并沿著參考線方向獲取不同位點處的照片。反復試驗后可達到與斜木架相同的效果。 由此確定好固定照相機與泄洪隧洞模型距離的方案。 圖 固定相機的三腳架 通過反復拍照，分別對比無底板、底板為黑色、底板為白色等顏色時拍出照片中氣泡的清晰度等情況，綜合考慮最終決定采用無底板和有黑色底板拍照，為后期處理照片做準備，底板為黑色時照片如圖 所示。 圖 底板為黑色時的相片 CQ620xx 摻氣濃度儀的使用 仔細研究學習使用 CQ620xx 摻氣濃度儀（如 圖 ） ， CQ620xx 摻氣濃度儀 采用單片機進行數(shù)據(jù)采集，面板顯示處理結(jié)果 — 摻氣濃度時間平均值。體積小，可靠性高，便于攜帶和運輸。內(nèi)設清水電阻范圍調(diào)節(jié)開關，可更大范圍選擇傳感器。 濃度儀的技術指標有以下幾項： (1)測量范圍： ～ % 11 (2)分 辨 率： % (3)線 性 度： 177。% (4)零點漂移：＜ 177。% （ 8 小時） (5)采樣速度： 1020 次 /秒 (6)積分時間： 1～ 99s 任選 (7)六通道設 置：可預調(diào)六個測點的清水電阻清水電阻調(diào)節(jié)范圍： 270～ 800Ω 、660～ 1200Ω 兩檔或更大，阻值偏差 177。5% 圖 中科院 CQ620xx 摻氣濃度儀 首先在使用 CQ620xx 摻氣濃度儀測量前，應連接好電路，接通電源，按下調(diào)零按鈕在靜止清水中調(diào)零，然后按下滿度，顯示 100（ %），消除“漂移的影響”，等待一段時間后，按下測量按鈕開始測量。 通過反復試驗，熟練掌握 插式 摻氣濃度儀的使用方法，同時結(jié)合貼片式濃度儀，初步確定貼片式濃度儀測量的大概位置。 模型測量孔的優(yōu)化 由于原來泄洪隧洞模型上打的孔不夠多，以致沒有足夠多的孔進行不同點位插式 摻氣濃度儀的測量。通過和老師探討，最終確定好測量點位的位置和泄洪隧洞上部打洞的位置后，聯(lián)系了試驗室的師傅幫忙進行打洞處理，以便我們接下來進行試驗測量，如圖 所示。 12 貼片式摻氣濃度儀的設置 由于 插式 濃度儀測量時需手工控制儀器位置，不宜準確定位測量，故決定結(jié)合貼片式共同測量。因此，模型孔打完后，進行了貼貼片工作。在上、中、下游選取三個斷面，每個斷面分別進行上、中、下部貼片處理，這樣就能準確測量出一個斷面不 同部位的摻氣濃度。貼完貼片要等膠干才能做試驗，利用這段時間研究貼片原理，盡量將貼片使用的最好，如圖 所示。 圖 插式 濃度儀測量 圖 貼片式濃度儀測量 為了研究不同流速下水流的摻氣情況和消散規(guī)律，通過改變水位和閘門開度來控制流速。選定在 1洞的 3坎與 4坎之間，分別在校核水位（ ）和設計水位（ ）兩個水位以及閘門全開、 開度和 進行試驗。 在不同的水頭下，我們的試驗步 驟是：首先用摻氣濃度儀測量摻氣濃度，然后用單反照相機在相同的距離及光照情況下對摻氣水流進行拍攝照片。摻氣濃度的測量，以 插式 濃度測量儀測量為主，輔助使用貼片式進行精確測量。攝影方面，為了獲得最好的照片效果，我們對每個測量點分別進行無背景和黑色背景下的兩種拍攝，方便后期的圖像處理。 13 試驗工況 在閘門全開的情況下，分別在校核水位（ ）及設計水位（ ）下進行試驗。由于開始在 3坎和 4坎之間的泄洪隧洞模型上只挖了三個孔，很難研究水流的摻氣情況和消散規(guī)律。 為了獲得更詳細的試驗數(shù)據(jù)， 在 3坎和 4坎之間又補挖了 8 個孔，現(xiàn)共有11 個孔，每個流速下可獲得 11 個數(shù)據(jù)。除此之外，在 3坎和 4坎之間隧洞壁上的合適位置貼了 8個貼片來測量摻氣濃度，以獲得更加準確的數(shù)據(jù)。 由此，運用 插式 摻氣濃度儀并結(jié)合貼片式分別作了校核水位（ ）閘門全開、設計水位（ ）閘門全開、設計水位（ ）閘門 開度和設計水位（ ）閘門 開度等四個不同流速下的試驗，得出了相應工況時的摻氣濃度。 摻氣濃度值記錄 仔細并分析比較多次試驗所得的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行平均等 數(shù)值計算，以減小數(shù)據(jù)的誤差。試驗記錄草稿如圖 所示。 圖 試驗記錄草稿 試驗照片整理 整理拍出的照片，分別編號整理，為后期圖像處理，建立濃度灰度對應關系做準備。 14 (1)流速為 ,如圖 所示。 圖 1 號測點 圖 2 號測點