高流速、缓底坡泄洪隧洞掺气槽掺气保护长度的研究结题报告(编辑修改稿)

高流速、缓底坡泄洪隧洞掺气槽掺气保护长度的研究结题报告(编辑修改稿)内容摘要：

面相应的压强，根据实际试验环境运用数值模拟软件建立出与实际相似的泄洪隧洞模型，再通过在其上设置与水工模型相同数量的掺气槽进行数值模拟，将模拟结果与通过运用测量仪器辅助图像处理技术得出的数据进行对比，得出不同流速区域掺气槽下游气泡的分布情况，进而分析得出气泡的消散上浮规律，在此基础上最终归纳出有关高流速缓底坡 平斜直线式泄洪隧洞掺气保护长度的规律。 5 第 2 章 试验设备 本试验中需要的设备主要有测量设备和摄影设备，其中测量试验设备清单如表 21所示。 图 中左上为全站仪及三脚架，右上为北京远大 QDF－ 6热球式数字风速仪，左下为中科院 CQ6－ 20xx 掺气浓度仪，右下为电磁流量计。 表 测量试验设备清单 图 试验仪器设备 用途 设备名称 水位测量 量水测针 压力测量仪器 测压管、压力传感器、数据采集与分析系统 流速测量 高速旋桨流速仪 流量测量 IFM4080K 型电磁流量计 掺气浓度测量 中科院 CQ6－ 20xx 掺气浓度仪 风速 北京远大 QDF－ 6 热球式数字风速仪 模型 制作 安装 全站仪、 水准仪 6 主要测量仪器设备介绍 型掺气浓度仪 CQ620xx 型掺气浓度仪是在原 CQ620xx 型掺气浓度仪的基础上改进的。 采用了单片微型计算机进行数据采集和处理，并将处理的结果 —— 掺气浓度时间平均值显示在面板上。 CQ620xx 型掺气浓度仪的使用方法如下： (1)操作步骤 第一，联接掺气浓度传感器的引线，引入背面孔的“插线孔”。 第二，接通电源。 第三，按下仪器面板上的“满度”按钮。 第四，开启电源，预热 20 分钟以上。 正常时，示窗显示 ，且每秒钟跳闪一次。 第五，将传感器置于测试用清水水域，按下待测传感器所接入的“通道”按钮。 第六，按下仪器面板上的“调零”或“测量”按钮，调节对应通道的“清水调零电阻”（粗调加细调）旋钮，使“显示窗”示值为“ ”。 第七，选定积分时间。 第八，将传感器置于测量水域，按下仪器面板上的“调零”或“测量”按钮进行测量。 (2)满度标定 仪器的增益可能随着时间产生微小的变化（漂移），但只要按下满度按钮，变化量就会自动消除。 满度标定由单片计算机自动进行，在电源开启的条件下，只要按下满度按钮，显示值均设定为 ，与传感器引线接通与否，以及通道选择状态无关。 因此，为了获得准确的测量数据，最好在每次正式测量之前，均进行一次满度标定。 (3)清水清零 CQ620xx 型掺气浓度仪的设计清水电阻调节范围是 2002400Ω。 由粗调电位器、细调电 位器，和由波段开关控制的固定电阻器组合完成。 当选用的传感器 7 电板形势差异较大，或不同地狱的水质差异较大时，传感器的清水电阻可能超出出厂设定范围。 如若发现无论怎样调节面板“清水调零电阻”（粗调加细调）旋钮，示值均不为零时，可打开掺气仪的底盖板进行调整。 若示值总大于 ，将对应通道配置的波段开关拨向标明较大阻值的一端。 相反，若示值总小于 ，则应拨向标明较小阻值的另一端。 仍然不能调零时，再由专业人员参照附录的提示或在厂家指导下，采用更新跳线的办法解决。 注：此操作应在断电情况下进行。 一般情况下，仪器内部设置的 固定及可变电阻器组合，通常能够满足无掺气条件下的清水电阻调节，使仪器读数为零。 但在特殊情况下，若清水电阻已超出原仪器设置，此时应由专业人员在厂家指导下，对固定电阻器进行更换，以适应更大的调零范围，但在使用前应进行线性测试。 高速旋桨流速仪 高速 旋桨流速仪是一种大量程的江河水文测速仪器。 可用于江、湖、渠道和水库等水体，进行各种高、中、低流速测量，也可用于电站压力管道和某些科学试验 中，进行高速和特高速测量。 当水流作用于仪器感应部分 —— 旋桨时，旋桨即产生回转运动，水流速度越快，旋桨转速也越快。 它们之间 存在一定的函数关系，此关系是通过水槽检定而得出的。 试验 表明：起转速度到临界速度之间，函数呈曲线形式，而临界流速以上则为一线性关系。 每架仪器检定结果，均附有 V～ n 关系曲线图表和检定公式： V = bn＋ a （ ） 式中 V表示 流速 (m/s)； n表示 旋桨转速率，等于旋桨总转数 N与相应测速历时 T之比 ； b 表示 水力螺距 (对应于原标准的 K)单位是 m； a 为 常数 (对应于原标准的C)单位是 m/s； 系数 b、 a 值与旋桨和支承系统的性能有关。 因此，对该部分零件务必小心地养护，否则将会影响测流结果。 水流速度的测定，实际上乃是测量在预定时间内流速仪转子 (旋桨 )的转数。 旋桨转数系利用仪器的接触机构转换出电脉冲信号，经由电线传送到水面的计数器。 旋桨每 20 转发出一个信号，因此，信号数乘 20 即为总转数；测得相应的历 8 时 T，代入上式即可计算流速。 以上至 10m/s 的函数关系，通过水槽 试验 证明是一条直线。 因此，如高速端受检定设备限制，可只检定至 5m/s，利用上延方法公式延长用至 10m/s。 低速曲线部分由实测点绘制。 单反相机 单反 ， 在光学上就是指单镜头反光，即 SLR(single lens reflex)，单镜头反光数码相机，即 Digital 数码、 Single 单独、 Lens 镜头、 Reflex 反光的英文缩写 DSLR。 它能使观景窗中所看到的影像和胶片上永远一样，它的取景范围和实际拍摄范围基本上一致，消除了旁轴平视取景 照相机 的视差现象。 在这种系统中， 反光镜 和 棱镜 的独到设计使得 摄影 者可以从 取景器 中直接观察到通过 镜头 的 影像。 单镜头反光照相机 的构造图中可以看到， 光线 透过镜头到达反光镜后，反射到上面的 对焦 屏并结成影像，透过接 目镜 和 五棱镜 ，我们可以在观景窗中看到外面的景物。 拍摄时，当按下 快门 钮，反光镜便会往上弹起，软片前面的快门幕帘便同时打开，通过镜头的光线 (影像 )便投影到软片上使 胶片 感光，尔后反光镜便立即恢复原状，观景窗中再次可以看到影像。 单镜头反光相机的这种构造，确定了它是完全透过镜头对焦拍摄的，它能使观景窗中所看到的影像和胶片上永远一样，它的取景范围和实际拍摄范围基本上一致，消除了旁轴平视取景照相机的 视差 现象，从学习摄影的角度来看，十分有利于直观地取景构图。 常见的单反镜头比 固定镜头 相机提供了更广泛的 光圈范围 ，尤其是增加了最大光圈（举例来说，在 50毫米 定焦镜头 上可见到 甚至到 等级的最大光圈）。 单反 精确的取景和对焦，这一点对于微距和远距摄影特别重要。 9 第 3 章 模型试验 模型试验概况 本项目主要针对高流速、缓底坡泄洪隧洞的特点，利用系统分析的方法，结合大渡河长河坝水工试验模型，综合运用模型试验、数值模拟、图像处理等技术研究水流掺气后气泡的运动消散规律， 从而得出不同流速区域适用于缓底坡泄洪隧洞的掺气槽掺气保护长度的相关规律，以期对同类工程设计提供参考。 在 20xx年 5月至 20xx 年 9 月期间，主要完成了试验数据获取的工作。 依托以 1:50 的比例尺建立的四川大渡河长河坝泄洪隧洞模型（如 图 41） ，设置多组不同的试验条件，控制变量，运用传统测试方法 —— 插式 和贴片式仪器测量不同点位处掺气浓度，同时用单反相机获取该点位处水流的照片。 每个点位处进行多次试验，保证试验数据在一定程度上的稳定性。 采集不同位置的数据点，获得具有代表性的数据。 试验设备的 使用及优化 照片效果优化准备 在试验中，运用控制变量法的思想，在拍照的时候要保持单反相机的视野范围基本不变，需要控制相机到模型的距离一定，同时为了提高单反相机照相的质量，决定制作 一个斜木架来固定相机，同时标上刻度，每次测量只要在相同的刻度处拍摄即可，按照拍摄需求以 1:1 比例画出斜木架结构图，如图 所示。 图 斜木架结构图 10 但由于经费和工作人员的缺乏，斜木架并没有做成，最后决定使用测量学实习时用的三脚架（ 如图 ） 来替代斜木架，同时在平行于模型底板一定距离处设置一根参考线，使相机固定在三脚架上并沿着参考线方向获取不同位点处的照片。 反复试验后可达到与斜木架相同的效果。 由此确定好固定照相机与泄洪隧洞模型距离的方案。 图 固定相机的三脚架 通过反复拍照，分别对比无底板、底板为黑色、底板为白色等颜色时拍出照片中气泡的清晰度等情况，综合考虑最终决定采用无底板和有黑色底板拍照，为后期处理照片做准备，底板为黑色时照片如图 所示。 图 底板为黑色时的相片 CQ620xx 掺气浓度仪的使用 仔细研究学习使用 CQ620xx 掺气浓度仪（如 图 ） ， CQ620xx 掺气浓度仪 采用单片机进行数据采集，面板显示处理结果 — 掺气浓度时间平均值。 体积小，可靠性高，便于携带和运输。 内设清水电阻范围调节开关，可更大范围选择传感器。 浓度仪的技术指标有以下几项： (1)测量范围： ～ % 11 (2)分 辨 率： % (3)线 性 度： 177。 % (4)零点漂移：＜ 177。 % （ 8 小时） (5)采样速度： 1020 次 /秒 (6)积分时间： 1～ 99s 任选 (7)六通道设 置：可预调六个测点的清水电阻清水电阻调节范围： 270～ 800Ω 、660～ 1200Ω 两档或更大，阻值偏差 177。 5% 图 中科院 CQ620xx 掺气浓度仪 首先在使用 CQ620xx 掺气浓度仪测量前，应连接好电路，接通电源，按下调零按钮在静止清水中调零，然后按下满度，显示 100（ %），消除“漂移的影响”，等待一段时间后，按下测量按钮开始测量。 通过反复试验，熟练掌握 插式 掺气浓度仪的使用方法，同时结合贴片式浓度仪，初步确定贴片式浓度仪测量的大概位置。 模型测量孔的优化 由于原来泄洪隧洞模型上打的孔不够多，以致没有足够多的孔进行不同点位插式 掺气浓度仪的测量。 通过和老师探讨，最终确定好测量点位的位置和泄洪隧洞上部打洞的位置后，联系了试验室的师傅帮忙进行打洞处理，以便我们接下来进行试验测量，如图 所示。 12 贴片式掺气浓度仪的设置 由于 插式 浓度仪测量时需手工控制仪器位置，不宜准确定位测量，故决定结合贴片式共同测量。 因此，模型孔打完后，进行了贴贴片工作。 在上、中、下游选取三个断面，每个断面分别进行上、中、下部贴片处理，这样就能准确测量出一个断面不 同部位的掺气浓度。 贴完贴片要等胶干才能做试验，利用这段时间研究贴片原理，尽量将贴片使用的最好，如图 所示。 图 插式 浓度仪测量 图 贴片式浓度仪测量 为了研究不同流速下水流的掺气情况和消散规律，通过改变水位和闸门开度来控制流速。 选定在 1洞的 3坎与 4坎之间，分别在校核水位（ ）和设计水位（ ）两个水位以及闸门全开、 开度和 进行试验。 在不同的水头下，我们的试验步 骤是：首先用掺气浓度仪测量掺气浓度，然后用单反照相机在相同的距离及光照情况下对掺气水流进行拍摄照片。 掺气浓度的测量，以 插式 浓度测量仪测量为主，辅助使用贴片式进行精确测量。 摄影方面，为了获得最好的照片效果，我们对每个测量点分别进行无背景和黑色背景下的两种拍摄，方便后期的图像处理。 13 试验工况 在闸门全开的情况下，分别在校核水位（ ）及设计水位（ ）下进行试验。 由于开始在 3坎和 4坎之间的泄洪隧洞模型上只挖了三个孔，很难研究水流的掺气情况和消散规律。 为了获得更详细的试验数据， 在 3坎和 4坎之间又补挖了 8 个孔，现共有11 个孔，每个流速下可获得 11 个数据。 除此之外，在 3坎和 4坎之间隧洞壁上的合适位置贴了 8个贴片来测量掺气浓度，以获得更加准确的数据。 由此，运用 插式 掺气浓度仪并结合贴片式分别作了校核水位（ ）闸门全开、设计水位（ ）闸门全开、设计水位（ ）闸门 开度和设计水位（ ）闸门 开度等四个不同流速下的试验，得出了相应工况时的掺气浓度。 掺气浓度值记录 仔细并分析比较多次试验所得的数据，对数据进行平均等 数值计算，以减小数据的误差。 试验记录草稿如图 所示。 图 试验记录草稿 试验照片整理 整理拍出的照片，分别编号整理，为后期图像处理，建立浓度灰度对应关系做准备。 14 (1)流速为 ,如图 所示。 图 1 号测点 图 2 号测点。