适于水工物理模型的新型表面流速测量技术

　　0 引 言

　　水工物理模型是指利用几何、运动、动力相似性准则，按照一定的模型比尺，将原始河道缩小为实验室条件下可操作的一种水工模型。水流表面流速作为 水工物理模型试验中评价航道整治效果、水工建筑物建设可行性、通航可行性等工作的重要指标，对其进行准确快速测量具有非常重大的现实意义。水工物理模型 中，现普遍采用的测量方法是通过机械式旋浆或毕托管测量水下一定深度流速后通过公式换算得到表面流速[1]。而能够直接测量的激光多普勒流速仪与粒子图像 测速仪[2-3].

　　由于价格昂贵、试验条件苛刻，难以在水工物理模型试中普遍使用。机械式旋浆、毕托管流速测量方法不仅具有对小流速不敏感、响应速度慢、动态性能 差、测量误差较大等缺点，最大的弊病在于这两种方法都属于接触式测量，即使传感头尺寸较小，对于大比尺的水工模型而言，较小的尺寸也会对各种水流参数造成 较大的影响，从而影响水流参数的准确获取。针对水工物理模型中表面流速测量方法的技术现状，结合互相关、光学测量的优点，对适于水工物理模型表面流速测量 的光电非接触式测量系统进行设计，并通过试验验证技术上的可行性，不仅具有较高的理论价值，而且具有较大的实际应用意义。

　　1 基于流动噪声统计继承性的非接触式表面流速测量原理

　　1.1 流体流动物理模型

　　流体在流动过程中，内部似“微团”形式的流动噪声之间存在相互作用与能量交换。虽然流体内部流动噪声状况随时呈现出随机性、无规律变化，但在流 动方向上，存在较为较好的统计继承性[4-5]。基于统计规律的流体流动数学模型示意图如图 1所示。为了简化讨论，在流动水体中截取一圆柱水体进行考虑，其中流动噪声用扁圆表示。其中，水流速度为 v，断面 a 与断面 b 间距离为 l。流动噪声的统计继承性是指，被测流体在断面 a处的流动噪声，经过一定的时间会重复出现在下游的断面 b 处。利用信号系统的方式考虑，可以看成断面a 处流动噪声 x(t)经过一线性时不变系统后变为断面 b处的流动噪声 y(t)。设该线性时不变系统单位冲击应为 h(t)，鉴于上下游流动噪声的可重复特性，h(t)应为δ (t τ)。故上下游流动噪声关系公式可表示为

　　其中n (t ,l)为随机噪声传递过程中叠加的干扰，断面距离越远， n (t ,l)就越大，反之亦然。断面距离 l 越小，统计继承性越接近理想状态;当 l 足够小时， n (t ,l)可以近似忽略不计。则式(1)简化为

式(2)即为基于流动噪声统计继承性的流体流动物理模型数学公式，通过构建模型可见，上下游流动噪声信号为有一时延 τ 的互相关信号。