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电 化 教 育 研 究
基 于 先 进量 测 设备 的 弯 道水 流 特 性 实 验 设 计 ①
胡 江 兰 艳萍 陈阳 （ 重庆 交通 大学 水利水 运工 程教 育部 重点 实验室 重 庆
பைடு நூலகம்
弯 曲河 道 是 最常 见的 河 型 之一 ， 因 其 水 流 和 泥 沙运 动 规律 复 杂 ， 河湾 演 变现 象 及 其 机 理 一 直 是 河 流 动 力 学 及 河 床 演 变 学 重 点 关注 的 对 象 ， 弯 曲河 道 的 水 流 及泥 沙运 动 特 性 也成 为 水利 工程 学 科 理 论 和 实验 教学 的 重要内容。 近年来 ， 不 少 针 对 该 类 问 题 的 研 究 被 开 展并 取 得 了一 些 较 好 的 成 果【 Ｉ ’ 。 但 是， 受测 量手 段 的 限 制 ， 弯 道 水 流 运 动 的 学 生 教 学 实验 效 果 则较 差 ， 且少 有 这方 面 的 教 改研 究 ， 远 不如 在流 体 力 学 实验 教 学方 面 的 成 果［ ４ － ６ １ 。 首 先是 教学 实验 采 用的 弯道 水 槽 ， 通 常 都 是底 部封 闭坐 落 于地 面 ， 不 易观 察 和 测 量， 且水流的平稳性较差 ； 而 教 学 过程 中 学 生 使 用 的流 速 仪 多 为旋 桨 式 的单 点流 速 仪， 仅能 测 量 平 均 流 速 ， 无 法 反 映 水 流 的 三 维 运 动形 态 ， 要 测量 弯 道 内部 的 环流 结 构更 不可能 。 因此 ， 以 往 的 这 类 实 验 更 多仅 是 让 学 生 能 动手 参 与 ， 对 学 生 强化 理 论知 识 的认 识和提高学生的创新能力效果较差。 本 文 建 设 了 一 套 高 精 度 的 架 空 变 坡 玻 璃 弯 道水 槽 ， 并 引入 了先进 的 激 光粒 子流 场 测 量仪 和 超 声水 位 计 ， 设计 了一 套弯 道水 流 特 性 的教 学 实验 ， 能 增 强学 生 对理 论 知识 的 理解 ， 大 幅 提 升 学 生 的 实 验 创新 水 平 。
４ ０ ０ ０７ ４） 摘 要： 建设 了一 套先进 的弯道 水流实验 系统 ， 包括高精度 变坡 弯道玻 璃水槽， 激 光柱子成像流速仪（ ＰＩ Ｖ） ， 超 声水位计等 ， 并根据 各仪器 的特性 ， 设 计 了一套 弯道水流杼性 的实验方 法 ， 并将 其用于本科 生的 弯道水流特性教 学实验 ， 增强 了学生对 理论知识的理解 ， 提 升 了学生 的 实验 创新 水 平 。 关键 词 ： 变坡 弯 道玻 璃 水 槽 水流 特 性 教 学 实验 中图分 类号 ： Ｇ ６ ４１ 文 献标 识 码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ３ －９ ７ ９ ５ （ ２ ０ １ ３ ） １ Ｏ （ ａ ） 一０ １ ４ １ —０ １
得水 槽 整个 横 向 多个纵 垂 面 的流 场 分布 ， 将 其 按 照水 槽 内 的位 置 画出 流场 图 ， 则 重构 了 弯道 水槽 Ｘ、 ｚ 方 向的形 态 。 第 二 种 是激 光水 平从 水 槽侧 壁 进入 、 相 机 拍 摄水 槽 水 平截 面 的流 场分 布 ， 同样 从水 槽 底部 开 始 向水 面逐 个上 移 拍摄 断 面 ， 可 以获 得 沿水 深 的水 平 流 场分布 ， 重构 了ｘ、 Ｙ方 向 的流 态 。 待 上 述 两 种测 量 模 式 完 成 并 处理 好 数 据以 后， 则 可 以 根 据 给 ｘ、 Ｙ、 Ｚ 坐 标 重 构 测 量区域每个 点的三维流速分 布 ， 进而 重 构 形 成 弯 道 的 三 维 流速 场 ， 弯 道 环 流 及 流 速 大 小 的 分 布 特 征都 能予 以显 示 。 （ 见 图２ （ ｂ ） ） ２． ２ 弯 道水 面 比降的测 量 采 用 沿 程 分 布 干 左 右 岸 的 超 声 水 位 ２实验设计 计， 分 别 测 量 弯 道 凸岸 和 凹岸 的 水 位 变 化 ， ２． １ 弯 道环 流及 三 维流 场的 测量 给 出 水 位 变 化 规 律 并 计 算沿 程纵 比 降 的变 Ｐ Ｉ Ｖ是 利 用高 频 相机 拍 摄激 光 照 亮 了的 化 。 再 利 用 每 个 横断 面 的 两 个超 声 水 位 计 流 体 内部 示 踪 粒 子 运 动 轨 迹 来 反 映 流 速 场 测 量 横 断 面 的 水 位 ， 可 计 算 获 得 弯 道 横 比 的 先进 量测 仪 器 。 根 据Ｐ Ｉ Ｖ的测量 原 理 ， 为 充 降 的 分 布 规 律 及 横 比 降 的 沿 程 变 化 规 律 。 分 反 映弯 道 水流 的 三 维形 态 ， 教 学 实验 设 计 两种 测量模式 相结合 。 一 种是 激 光 垂 直 照 ３结 论 射、 相 机 拍 摄 水 槽 垂 面流 场 的 方 式 （ 见图２ 弯道 水流 特性 实验 课程 的教 学 一直 较为 （ ａ ） ） 。 在 这种 模 式 下 ， 激 光从 水槽 底 部垂 直 向 困难 。 笔者在教 学实践 中进 行 了实验 设备和教 上射入水槽 ， 照 亮水 槽 的纵 垂 面 ， 照相 机 拍 学实验 内容及方 法的改革 ， 通过该 实验能够激 摄纵垂面 ， 可 以 获 得一 个纵 垂 面 的 流场 ； 如 发学生 的求知探 索欲望 ， 因而 本次 实验 教改符 １ 实验仪器介绍 果保 持 相机 位 置 不动 ， 沿水槽 横断 面 方 向（ Ｙ 合 国家 培养创新性 人才的要 求 。 文章 提出其 中 弯 道 水 槽 为 高 精 度 可 变坡 的 Ｕ型 全 通 方 向） 移 动 激 光 照射 位 置并 拍 摄 ， 则可 以 获 主要 的内容 ， 共 同行 参考 ， 希望共同 努力 ， 促进 该 门学科 的实 验教学 及研 究 的进步 。