新型轻便流速仪动态特性的研究
1.引言
为了在水域中进行水流观测,近年来已研制出了多种不同形式的流速仪。它们各自显示了特有的长处和局限性。目前应用最广泛的仍然是转子式流速仪。这类流速仪的流速传感器是一种能够在水流作用下产生旋转运动的部件。其中有转子、旋桨等,统称为转子式流速仪〔‘」。按转子的不同可分为转子式流速仪和旋桨式流速仪等。
转子式安德拉(Aandera)流速仪是目前世界上应用最广泛的一种流速仪。这种流速仪具有稳定、可靠、使用方便、数据处理方法先进和资料获取率高等特长。它最初是为测量深海流而设计的,其流速传感器采用萨沃纽斯(Savonius)转子。近年来,由于海岸工程迅速发展,对近岸流和表层流的观测逐渐多起来。如果在波浪影响大的浅层水域中使用转子式流速仪,由于近岸波浪水质点的旋转运动和系留装置的摆动,会使全向性的萨沃纽斯转子式流速仪所测得的数据比实际流速偏高。这一点已被专家在近岸的测流中所证实川。因此,在评价一种水文仪器技术性能时,决不能仅看它的静态特性,还要看它的动态特性,即在使用环境中的适应性。同时要考虑仪器技术性能和所要完成任务的环境之间协调一致。本文重点对转子式流速仪和旋桨式流速仪在浅水域中使用的有关问题进行讨论。
2直接测流的实际问题
在采用转子和旋桨式流速仪系留在船舶或浮标上测流时,其测量的准确度主要取决于流速仪的性能、仪器造型与介质之间的相互影响以及测量方法等。
流速仪的检定是在静水槽中进行的,用均速拖曳仪器确定其准确度。但实际中流速仪所测量的是一个复杂的水动力系统的流动,因此测量系统的动态误差是不能忽视的。在现场直接测流时,流速仪的水下探测器会受到接近船体的水面流动影响。由于船体缓慢无定向的移动,系留装置纵向振荡和垂向振荡导致测量数据失真,磁感金属使传感器的磁罗盘指针偏移等[a]。
上述动态误差主要来源于系留系统在波浪作用下产生的振荡运动。尤其是在表层水域中使用的转子式流速仪,其动态误差更为明显。如果应用在深层,上述波浪的影响明显的减少。这是由于波浪中的水质点运动变化随水面深度的增大而迅速的减少,其表达式:
式中:头为水面下某一深度处的皮幅;勤为水面处的波幅;z为水质点至水面下的平均深度;久为波长。
由式(2一l)可知,当z二几时,则乳/泞。二0.00187;当z二2又时,则衍/宁。二0.0000035,即当水深等于二倍波长时,表面波的扰动几乎不存在。
综上所述可以看出,在选择和使用流速仪时必须考虑仪器的技术性能和应用环境。如萨沃纽斯转子式流速仪不是为浅水测流而设计的,故不能应用在流速波动大的情况。如果在振幅为0.11。。、9.SH:的振动条件下,其转子可以自动变化1.98r/min,这相当于3.86。m/:的流速。同时,这种转子还要求其转轴与水流方向垂直,在水流作用下只做单向旋转。根据Soton的试验结果表明垂直于水流方向的转子轴倾斜lo,引起的误差达到2%[’]。显然,在波浪影响大的浅水域中使用这种转子式流速仪是不妥的。如在深水或潜标上使用,它是一种性能良好的流速仪,人们重视流速仪工作原理的研究,而对仪器造型与介质之间的流体动力学特性就研究的较少,近年来,逐步引起了科学家的关注。
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