【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 面相應(yīng)的壓強(qiáng)，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)環(huán)境運(yùn)用數(shù)值模擬軟件建立出與實(shí)際相似的泄洪隧洞模型，再通過(guò)在其上設(shè)置與水工模型相同數(shù)量的摻氣槽進(jìn)行數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果與通過(guò)運(yùn)用測(cè)量?jī)x器輔助圖像處理技術(shù)得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出不同流速區(qū)域摻氣槽下游氣泡的分布情況，進(jìn)而分析得出氣泡的消散上浮規(guī)律，在此基礎(chǔ)上最終歸納出有關(guān)高流速緩底坡 平斜直線式泄洪隧洞摻氣保護(hù)長(zhǎng)度的規(guī)律。 5 第 2 章 試驗(yàn)設(shè)備 本試驗(yàn)中需要的設(shè)備主要有測(cè)量設(shè)備和攝影設(shè)備，其中測(cè)量試驗(yàn)設(shè)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(yuǎn)大 QDF－ 6熱球式數(shù)字風(fēng)速儀，左下為中科院 CQ6－ 20xx 摻氣濃度儀，右下為電磁流量計(jì)。 表 測(cè)量試驗(yàn)設(shè)備清單 圖 試驗(yàn)儀器設(shè)備 用途 設(shè)備名稱 水位測(cè)量 量水測(cè)針 壓力測(cè)量?jī)x器 測(cè)壓管、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng) 流速測(cè)量 高速旋槳流速儀 流量測(cè)量 IFM4080K 型電磁流量計(jì) 摻氣濃度測(cè)量 中科院 CQ6－ 20xx 摻氣濃度儀 風(fēng)速 北京遠(yuǎn)大 QDF－ 6 熱球式數(shù)字風(fēng)速儀 模型 制作 安裝 全站儀、 水準(zhǔn)儀 6 主要測(cè)量?jī)x器設(shè)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(chǔ)上改進(jìn)的。采用了單片微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，并將處理的結(jié)果 —— 摻氣濃度時(shí)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(kāi)啟電源，預(yù)熱 20 分鐘以上。正常時(shí)，示窗顯示 ，且每秒鐘跳閃一次。 第五，將傳感器置于測(cè)試用清水水域，按下待測(cè)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(cè)量”按鈕，調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)通道的“清水調(diào)零電阻”（粗調(diào)加細(xì)調(diào)）旋鈕，使“顯示窗”示值為“ ”。 第七，選定積分時(shí)間。 第八，將傳感器置于測(cè)量水域，按下儀器面板上的“調(diào)零”或“測(cè)量”按鈕進(jìn)行測(cè)量。 (2)滿度標(biāo)定 儀器的增益可能隨著時(shí)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(huì)自動(dòng)消除。滿度標(biāo)定由單片計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行，在電源開(kāi)啟的條件下，只要按下滿度按鈕，顯示值均設(shè)定為 ，與傳感器引線接通與否，以及通道選擇狀態(tài)無(wú)關(guān)。因此，為了獲得準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，最好在每次正式測(cè)量之前，均進(jìn)行一次滿度標(biāo)定。 (3)清水清零 CQ620xx 型摻氣濃度儀的設(shè)計(jì)清水電阻調(diào)節(jié)范圍是 2002400Ω 。由粗調(diào)電位器、細(xì)調(diào)電 位器，和由波段開(kāi)關(guān)控制的固定電阻器組合完成。當(dāng)選用的傳感器 7 電板形勢(shì)差異較大，或不同地獄的水質(zhì)差異較大時(shí)，傳感器的清水電阻可能超出出廠設(shè)定范圍。如若發(fā)現(xiàn)無(wú)論怎樣調(diào)節(jié)面板“清水調(diào)零電阻”（粗調(diào)加細(xì)調(diào)）旋鈕，示值均不為零時(shí)，可打開(kāi)摻氣儀的底蓋板進(jìn)行調(diào)整。若示值總大于 ，將對(duì)應(yīng)通道配置的波段開(kāi)關(guān)撥向標(biāo)明較大阻值的一端。相反，若示值總小于 ，則應(yīng)撥向標(biāo)明較小阻值的另一端。仍然不能調(diào)零時(shí)，再由專業(yè)人員參照附錄的提示或在廠家指導(dǎo)下，采用更新跳線的辦法解決。注：此操作應(yīng)在斷電情況下進(jìn)行！ 一般情況下，儀器內(nèi)部設(shè)置的 固定及可變電阻器組合，通常能夠滿足無(wú)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(shè)置，此時(shí)應(yīng)由專業(yè)人員在廠家指導(dǎo)下，對(duì)固定電阻器進(jìn)行更換，以適應(yīng)更大的調(diào)零范圍，但在使用前應(yīng)進(jìn)行線性測(cè)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(cè)速儀器?？捎糜诮⒑⑶篮退畮?kù)等水體，進(jìn)行各種高、中、低流速測(cè)量，也可用于電站壓力管道和某些科學(xué)試驗(yàn) 中，進(jìn)行高速和特高速測(cè)量。 當(dāng)水流作用于儀器感應(yīng)部分 —— 旋槳時(shí)，旋槳即產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(guān)系，此關(guān)系是通過(guò)水槽檢定而得出的。 試驗(yàn) 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(guān)系。 每架儀器檢定結(jié)果，均附有 V～ n 關(guān)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(yīng)測(cè)速歷時(shí) T之比 ； b 表示 水力螺距 (對(duì)應(yīng)于原標(biāo)準(zhǔn)的 K)單位是 m； a 為 常數(shù) (對(duì)應(yīng)于原標(biāo)準(zhǔn)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(guān)。因此，對(duì)該部分零件務(wù)必小心地養(yǎng)護(hù)，否則將會(huì)影響測(cè)流結(jié)果。 水流速度的測(cè)定，實(shí)際上乃是測(cè)量在預(yù)定時(shí)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(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換出電脈沖信號(hào)，經(jīng)由電線傳送到水面的計(jì)數(shù)器。旋槳每 20 轉(zhuǎn)發(fā)出一個(gè)信號(hào)，因此，信號(hào)數(shù)乘 20 即為總轉(zhuǎn)數(shù)；測(cè)得相應(yīng)的歷 8 時(shí) T，代入上式即可計(jì)算流速。 以上至 10m/s 的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)水槽 試驗(yàn) 證明是一條直線。因此，如高速端受檢定設(shè)備限制，可只檢定至 5m/s，利用上延方法公式延長(zhǎng)用至 10m/s。低速曲線部分由實(shí)測(cè)點(diǎn)繪制 。 單反相機(jī) 單反 ， 在光學(xué)上就是指單鏡頭反光，即 SLR(single lens reflex)，單鏡頭反光數(shù)碼相機(jī)，即 Digital 數(shù)碼、 Single 單獨(dú)、 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(yuǎn)一樣，它的取景范圍和實(shí)際拍攝范圍基本上一致，消除了旁軸平視取景 照相機(jī) 的視差現(xiàn)象。 在這種系統(tǒng)中， 反光鏡 和 棱鏡 的獨(dú)到設(shè)計(jì)使得 攝影 者可以從 取景器 中直接觀察到通過(guò) 鏡頭 的 影像 。 單鏡頭反光照相機(jī) 的構(gòu)造圖中可以看到， 光線 透過(guò)鏡頭到達(dá)反光鏡后，反射到上面的 對(duì)焦 屏并結(jié)成影像，透過(guò)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(shí)，當(dāng)按下 快門 鈕，反光鏡便會(huì)往上彈起，軟片前面的快門幕簾便同時(shí)打開(kāi)，通過(guò)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(fù)原狀，觀景窗中再次可以看到影像。 單鏡頭反光相機(jī)的這種構(gòu)造，確定了它是完全透過(guò)鏡頭對(duì)焦拍攝的，它能使觀景窗中所看到的影像和膠片上永遠(yuǎn)一樣，它的取景范圍和實(shí)際拍攝范圍基本上一致，消除了旁軸平視取景照相機(jī)的 視差 現(xiàn)象，從學(xué)習(xí)攝影的角度來(lái)看，十分有利于直觀地取景構(gòu)圖。 常見(jiàn)的單反鏡頭比 固定鏡頭 相機(jī)提供了更廣泛的 光圈范圍 ，尤其是增加了最大光圈（舉例來(lái)說(shuō)，在 50毫米 定焦鏡頭 上可見(jiàn)到 甚至到 等級(jí)的最大光圈）。 單反 精確的取景和對(duì)焦，這一點(diǎn)對(duì)于微距和遠(yuǎn)距攝影特別重要 。 9 第 3 章 模型試驗(yàn) 模型試驗(yàn)概況 本項(xiàng)目主要針對(duì)高流速、緩底坡泄洪隧洞的特點(diǎn)，利用系統(tǒng)分析的方法，結(jié)合大渡河長(zhǎng)河壩水工試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，綜合運(yùn)用模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬、圖像處理等技術(shù)研究水流摻氣后氣泡的運(yùn)動(dòng)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(hù)長(zhǎng)度的相關(guān)規(guī)律，以期對(duì)同類工程設(shè)計(jì)提供參考。 在 20xx年 5月至 20xx 年 9 月期間，主要完成了試驗(yàn)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(zhǎng)河壩泄洪隧洞模型（如 圖 41） ，設(shè)置多組不同的試驗(yàn)條件，控制變量，運(yùn)用傳統(tǒng)測(cè)試方法 —— 插式 和貼片式儀器測(cè)量不同點(diǎn)位處摻氣濃度，同時(shí)用單反相機(jī)獲取該點(diǎn)位處水流的照片。每個(gè)點(diǎn)位處進(jìn)行多次試驗(yàn)，保證試驗(yàn)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(diǎn)，獲得具有代表性的數(shù)據(jù)。 試驗(yàn)設(shè)備的 使用及優(yōu)化 照片效果優(yōu)化準(zhǔn)備 在試驗(yàn)中，運(yùn)用控制變量法的思想，在拍照的時(shí)候要保持單反相機(jī)的視野范圍基本不變，需要控制相機(jī)到模型的距離一定，同時(shí)為了提高單反相機(jī)照相的質(zhì)量，決定制作 一個(gè)斜木架來(lái)固定相機(jī)，同時(shí)標(biāo)上刻度，每次測(cè)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(fèi)和工作人員的缺乏，斜木架并沒(méi)有做成，最后決定使用測(cè)量學(xué)實(shí)習(xí)時(shí)用的三腳架（ 如圖 ） 來(lái)替代斜木架，同時(shí)在平行于模型底板一定距離處設(shè)置一根參考線，使相機(jī)固定在三腳架上并沿著參考線方向獲取不同位點(diǎn)處的照片。反復(fù)試驗(yàn)后可達(dá)到與斜木架相同的效果。 由此確定好固定照相機(jī)與泄洪隧洞模型距離的方案。 圖 固定相機(jī)的三腳架 通過(guò)反復(fù)拍照，分別對(duì)比無(wú)底板、底板為黑色、底板為白色等顏色時(shí)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(wú)底板和有黑色底板拍照，為后期處理照片做準(zhǔn)備，底板為黑色時(shí)照片如圖 所示。 圖 底板為黑色時(shí)的相片 CQ620xx 摻氣濃度儀的使用 仔細(xì)研究學(xué)習(xí)使用 CQ620xx 摻氣濃度儀（如 圖 ） ， CQ620xx 摻氣濃度儀 采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，面板顯示處理結(jié)果 — 摻氣濃度時(shí)間平均值。體積小，可靠性高，便于攜帶和運(yùn)輸。內(nèi)設(shè)清水電阻范圍調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)，可更大范圍選擇傳感器。 濃度儀的技術(shù)指標(biāo)有以下幾項(xiàng)： (1)測(cè)量范圍： ～ % 11 (2)分 辨 率： % (3)線 性 度： 177。% (4)零點(diǎn)漂移：＜ 177。% （ 8 小時(shí)） (5)采樣速度： 1020 次 /秒 (6)積分時(shí)間： 1～ 99s 任選 (7)六通道設(shè) 置：可預(yù)調(diào)六個(gè)測(cè)點(diǎn)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(cè)量前，應(yīng)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(shí)間后，按下測(cè)量按鈕開(kāi)始測(cè)量。 通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，熟練掌握 插式 摻氣濃度儀的使用方法，同時(shí)結(jié)合貼片式濃度儀，初步確定貼片式濃度儀測(cè)量的大概位置。 模型測(cè)量孔的優(yōu)化 由于原來(lái)泄洪隧洞模型上打的孔不夠多，以致沒(méi)有足夠多的孔進(jìn)行不同點(diǎn)位插式 摻氣濃度儀的測(cè)量。通過(guò)和老師探討，最終確定好測(cè)量點(diǎn)位的位置和泄洪隧洞上部打洞的位置后，聯(lián)系了試驗(yàn)室的師傅幫忙進(jìn)行打洞處理，以便我們接下來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，如圖 所示。 12 貼片式摻氣濃度儀的設(shè)置 由于 插式 濃度儀測(cè)量時(shí)需手工控制儀器位置，不宜準(zhǔn)確定位測(cè)量，故決定結(jié)合貼片式共同測(cè)量。因此，模型孔打完后，進(jìn)行了貼貼片工作。在上、中、下游選取三個(gè)斷面，每個(gè)斷面分別進(jìn)行上、中、下部貼片處理，這樣就能準(zhǔn)確測(cè)量出一個(gè)斷面不 同部位的摻氣濃度。貼完貼片要等膠干才能做試驗(yàn)，利用這段時(shí)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(cè)量 圖 貼片式濃度儀測(cè)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(guò)改變水位和閘門開(kāi)度來(lái)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(shè)計(jì)水位（ ）兩個(gè)水位以及閘門全開(kāi)、 開(kāi)度和 進(jìn)行試驗(yàn)。 在不同的水頭下，我們的試驗(yàn)步 驟是：首先用摻氣濃度儀測(cè)量摻氣濃度，然后用單反照相機(jī)在相同的距離及光照情況下對(duì)摻氣水流進(jìn)行拍攝照片。摻氣濃度的測(cè)量，以 插式 濃度測(cè)量?jī)x測(cè)量為主，輔助使用貼片式進(jìn)行精確測(cè)量。攝影方面，為了獲得最好的照片效果，我們對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)分別進(jìn)行無(wú)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(yàn)工況 在閘門全開(kāi)的情況下，分別在校核水位（ ）及設(shè)計(jì)水位（ ）下進(jìn)行試驗(yàn)。由于開(kāi)始在 3坎和 4坎之間的泄洪隧洞模型上只挖了三個(gè)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(xì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 在 3坎和 4坎之間又補(bǔ)挖了 8 個(gè)孔，現(xiàn)共有11 個(gè)孔，每個(gè)流速下可獲得 11 個(gè)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(gè)貼片來(lái)測(cè)量摻氣濃度，以獲得更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。 由此，運(yùn)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(kāi)、設(shè)計(jì)水位（ ）閘門全開(kāi)、設(shè)計(jì)水位（ ）閘門 開(kāi)度和設(shè)計(jì)水位（ ）閘門 開(kāi)度等四個(gè)不同流速下的試驗(yàn)，得出了相應(yīng)工況時(shí)的摻氣濃度。 摻氣濃度值記錄 仔細(xì)并分析比較多次試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均等 數(shù)值計(jì)算，以減小數(shù)據(jù)的誤差。試驗(yàn)記錄草稿如圖 所示。 圖 試驗(yàn)記錄草稿 試驗(yàn)照片整理 整理拍出的照片，分別編號(hào)整理，為后期圖像處理，建立濃度灰度對(duì)應(yīng)關(guān)系做準(zhǔn)備。 14 (1)流速為 ,如圖 所示。 圖 1 號(hào)測(cè)點(diǎn) 圖 2 號(hào)測(cè)點(diǎn)