[发明专利]一种柱体绕流粒子图像测速实验装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种柱体绕流粒子图像测速实验装置及测量方法，尤其是一种在可动床面明渠中开展柱体绕流PIV实验所需的实验装置和方法，属于水利量测技术领域。

背景技术

在可动床面明渠中垂直安放柱体结构，水流在柱体上游发生减速、分叉和边界层分离，形成马蹄涡系，在柱体两侧产生加速流，在柱体下游两侧发生边界层分离，形成尾流涡街，当来流速度大于始冲流速时，柱体四周在马蹄涡系、加速流及尾流涡街的共同作用下发生局部冲刷，上述现象是可动床面柱体绕流的主要特征。明渠可动床面柱体绕流是工程实践中常见的流动形态，如水利工程中的闸墩绕流、桥梁工程中的桥墩绕流均属于此类流动。由于柱体周围的局部冲刷坑会削弱结构地基，诱导结构失事，因此，研究可动床面柱体绕流特征，对于优化涉水结构设计、预防结构失事具有重要工程实践价值和理论意义。

与经典二维圆柱绕流问题相比，明渠柱体绕流具有明显三维特征，难以理论分析或数值求解，因此，实验测量是研究明渠柱体绕流的主要途径，而声学多普勒流速仪(ADV)是目前应用最为广泛的测量仪器。ADV是一种单点流速测量技术，使用时需将测量探头置于水中，探头与测量点之间预留约5cm的测量盲区。显然，使用ADV测量柱体绕流具有工作量大、对水流有干扰、存在测量盲区等缺陷，特别是在浅水实验时，根本无法开展ADV测量；与此同时，使用单点测量技术也难以测得柱体周围的马蹄涡等三维结构。

PIV(Particle Image Velocimetry)又称粒子图像测速法，是一种新颖的全场、无干扰、瞬时流速测量技术，可以克服ADV单点、有干扰、存在测量盲区等缺陷，近年来已逐渐被用于明渠光滑床面柱体绕流的实验研究。图1示意了一种利用PIV开展明渠光滑床面柱体绕流实验的方法，实验水槽由玻璃底板(11)和玻璃侧壁(12)组成，底板上垂直安放绕流柱体(21)，为了利用PIV测量柱体周围的流场，将激光系统(41)发出的激光片光(43)经玻璃底板(11)导入水体，照亮测量垂面(31)内的示踪粒子；粒子散射的成像光线(44)透过玻璃侧壁(12)到达相机(42)的感光面，相机(42)连续拍摄粒子图片，即可通过PIV计算获得测量垂面(31)内的流场。显然，利用PIV进行流场测量时，实验系统必须具有两个相互垂直或大角度相交的透光窗口，一个供激光片光(43)进入待测水体，另一个供测量垂面(31)发出的成像光线(44)进入相机。对于图1所示的水槽系统，除玻璃底板(11)和玻璃侧壁(12)外，水面也满足透光要求，但由于运动水体的表面存在波动，光线经过水面时容易因折射而发生偏折，导致测量面不平整或粒子图片发生不规则变形，严重影响PIV测量精度，因而不适合作为透光窗口。

综上所述，当水槽底板铺沙以开展可动床面柱体绕流实验时，水槽系统将只有侧壁一个透光窗口；同时，当柱体四周形成冲刷坑后，由于坑内床面低于坑外床面，使得坑内测量面的成像光线无法通过水槽侧壁进入相机，这些因素制约了PIV在明渠可动床面柱体绕流实验中的应用。

发明内容

为了解决可动床面时明渠水槽仅有侧壁一个透光窗口和冲刷坑内的成像光线无法通过玻璃侧壁进入相机的问题，本发明提供一种柱体绕流粒子图像测速实验装置及方法；本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种柱体绕流粒子图像测速实验装置，包括柱体、支撑平台、旋转平台、反射光学系统；所述支撑平台设在所述柱体上方；所述旋转平台重叠设在所述支撑平台上方；所述反射光学系统设在所述柱体内底部。

进一步地，所述柱体为透明空心结构。

进一步地，所述支撑平台中部设有圆孔；所述支撑平台通过支架与水槽或试验平台连接。

进一步地，所述旋转平台为圆环结构，所述圆环的中心与所述支撑平台的圆孔的中心竖直对齐。

进一步地，所述反射光学系统包括反射镜、反射镜架和伸缩杆；所述反射镜设在所述反射镜架的倾斜面；所述伸缩杆的第一端连接所述反射镜架的背面；所述伸缩杆的第二端连接所述支撑平台的底部。