时差法测流的非均匀流场流速模型及算法实现

时差法测流的非均匀流场流速模型及算法实现

刘莉1 ,马媛媛2,李体刚3

陕西省延安市水文水资源勘测中心  陕西省延安市  716000

摘要：借助超声波实现水位、流速和流量等水文要素的在线监测是目前主流的研究方向，水文要素的主要测量仪器包含走航式或定点式声学多普勒流速仪（AcousticDopplerCurrentProfilers，ADCP）、超声波测深仪、时差法流量监测系统三种。目前超声波时差法流量在线监测设备严重依赖进口，在实际使用过程中发现，其对于国内水文特征复杂的河流流量监测存在缺陷，运行过程中会出现数据丢失、信号中断等问题。因此，研发出自动化、适应性强、精度高并具有自主知识产权的超声波时差法测流系统具有重要意义。基于此，对时差法测流的非均匀流场流速模型及算法实现进行研究，以供参考。

关键词：非均匀流场；时差法；测流；流速

引言

19世纪后期,英国科学家开始注意到螺栓的气化现象,空气泡的出现导致了螺栓在水蒸汽中工作,螺栓的推力下降,速度不能达到预期。汽化实际上是一种热力学现象,环境压力保持不变,当温度升高时,液体吸收热量发生蒸发;当温度降低时,水蒸气会凝结成液态。对于螺杆气化,温度必须确定,叶片的旋转速度,叶片表面压力下降到饱和蒸汽的压力,液水分子蒸发,水蒸气通过界面进入气芯,使其膨胀发展成肉眼可见的空虚;当叶片表面的压力增加时,空泡破裂,释放热量,产生强大的压力脉冲。常规螺杆气泡有气泡、螺杆气泡、气泡、气泡、气泡、云泡和螺杆气泡等。栋其中,螺杆螺旋气泡开始较早,会导致辐射噪声急剧增加,潜艇的临界速度完全取决于此。因此,如何延迟螺杆气泡的形成对于泰坦设计师来说至关重要,而精确的螺杆气泡预测是设计螺杆气泡的前提和基础。

1优势

与实验相比,数值模拟可以成为研究螺旋管空化流的重要手段,具有更低的成本,更高的效率和更丰富的流场信息。应用最广泛的是N-S方程的全流场解,该方法将液相和气相视为连续液体介质,以E779a螺旋体模型为研究对象,采用Sin-ghal全气化模型。在均匀流场中,比较了标准k-ω模型、修正的k-ε再正规化群模型(RNG)和大涡模型大涡模型(LES)对汽化后螺旋体推力系数和蒸汽体积比的影响。计算结果表明,标准k-ω模型可以适应低质量的非结构网格,稳定性好,但对涡流速度和动能的预测不高;RNGk-ε模型的修改对于预测叶片上边界层周围粘性尾流引起的速度更为准确,并且对预测涡流附近的速度具有一定的准确性。相比之下,在预测流速和能量时解决N-S方程时,LES比前两种紊流模型更准确。此外,以E799a为研究对象,Schnerr-Sauer空化模型用于比较标准k-ε涡流模型和非线性k-ε涡流模型在均匀流场中旋涡气泡的吸收能力,研究表明,非线性k-ε涡流模型可以有效地预测涡流。

2系统总体方案设计

文中系统分为主机和从机两部分，分别安装于河流两岸，主机和从机通过射频电台进行数据通信，控制安装于水下的超声波传感器发射和接收声信号，经信号处理和数据模型解算，实现流速、流量的监测，可同时外接水位计、水温传感器等，用于获取水位、定点水温等水文数据。因此，该系统的实现需要设计非均匀流场流速计算模型算法、专用的硬件设备和可实现算法的软件平台。主机和从机结构近似，包含水上的机箱和水下的超声波传感器，机箱和传感器通过电缆相连，机箱内硬件设备为可拆分式层级结构，由供电装置、数据处理、信号处理、远程通信、显控等几部分构成。非均匀流场流速计算模型算法需在软件平台中实现，然后将此软件平台移植于硬件设备中。在系统开发阶段，将超声波传感器置于30m宽的河道两侧的水下1m深处，并呈一定夹角，通过对比真实流速和该系统测得的流速验证系统的准确性。

3测量原理介绍

用于测量气体特性的可调半导体激光光谱学主要包括直接吸收法和波长调制法两种测量方法,其理论基础是气体分子吸收光谱学理论,即当光束通过气体介质、气体介质和电磁波时,气体介质内部会吸收电磁辐射的能量,发生能级的转变,从低能级到高能级的转变。气体分子内部有各种形式的微观运动,包括完全平行、旋转、原子核振动和电子运动,除平行能量外,其他三种能量都是量子化的,这三种状态都有相应的能量值,称为能级。通常,分子处于基本状态,当它们被光能激发时,它们可以选择性地吸收一定频率的能量并转移到更高的能量水平。

4模型多位置试验分析

为了评估高超声速流场的不均匀性对空气动力学测试的影响,提出了一种多位置模拟方法。该模型的多波段测试分为两类:首先,通常的角度方法将模型转换为梯级,使模型处于不同的测试位置,包括:根据流量位置进行不同的测试。该模型被放置在风洞试验区上部、中部和下部均匀流动的多个位置,以评估所有可能的流场质量的影响。各种垂直位置的测试。如果模型在实验区段中垂直移动,则预计模型将受到沿马赫角延伸的压力波效应的不同组合的影响。该模型可以感知来自其上游和下游位置的某些压力波。模型的顶部和底部表面暴露在不同的流动状态下,因为当模型偏离躯干中心时,压力变得不对称。即使是三维对称弦,这种不对称的局部流动条件也会导致纵向空气动力学中的明显误差。

5软件平台的搭建

超声波时差法测流系统的传感器包含收发超声波信号的超声波传感器、测温的温度传感器和测量水位的水位计，其中温度传感器内置于超声波传感器中。水位计定期采集水位信息，超声波传感器受脉冲信号控制，当信号处理板接收到脉冲信号后，控制超声波传感器发射并接收信号、标记时间和采集温度，然后将测量结果回传给信号处理板，从而获取流速、温度和水位等水文数据。

6非均匀的空气温度分布规律的应用

确定初始条件和壁面条件(例如,进气温度)然后达到目标(例如,工作区域的空气温度)符合要求,这是比较通风和空调方案时的典型积极问题。同样,目标是获得资源的最佳配置,以实现最合适的内部环境控制,研究的目标不仅仅是满足几个方案之间的比较,这个问题被比作一个正面问题,当边界壁条件(例如,进气温度)成为需要解决的变量,并且正面问题的目标在这里成为一个强制性条件,形成一个反向问题类。室内空气温度的非均匀相关性提出了不同的通风和空调条件与众多具体需求之间的直接联系,使上述问题得以迅速解决。

7系统运行与测试

该系统目前已经应用于南京、重庆和攀枝花等多个水文站点，用于对流速、流量测量的准确性进行验证。以重庆泰安水文站为例说明该系统的运行及测试情况，重庆泰安水文站的河流两岸装有主从机、太阳能及装有硬件设备的机箱。太阳能给机柜内的电池充电，机柜内的硬件设备控制安装于河两岸水下的超声波传感器收发信号，经过解算后求解出流速和流量，通过设备自带的液晶显示屏显示或通过网络上传至Web展示界面。分别在清、浑、低、中、高水期间进行试验，系统运行稳定。通过ADCP所测流量与该系统所测流量进行对比。

结束语

供气温度的可用性,供气温度的可用性,热源的可用性,热源的可用性在本文中提出。这些概念从空间和时间的角度量化空气供应温度和热源对室内空气环境的贡献,有效地指导空气供应温度的调节和余热的释放。

参考文献

[1]刘恒,伍锐,孙硕.非均匀流场螺旋桨空泡数值模拟[J].上海交通大学学报,2021,55(08):976-983.

[2]许国强,段拼搏,张恩先,周志兴,肖明成,王一红.非均匀流场CO_2浓度分布测量方法研究[J].应用激光,2021,41(03):590-598.

[3]赵旻晟,万德成.螺旋桨在非均匀流场中的空化模拟[J].中国造船,2020,61(S2):247-253.

[4]赵旻晟,万德成.非均匀流场中螺旋桨空化的数值模拟[C]//,2020:911-919.

[5]贺博.非均匀流场下复合材料螺旋桨的空泡及空泡噪声性能研究[D].哈尔滨工业大学,2020.D