激光多普勒测速技术在含植被明渠紊流流场特性测量中的应用

【作者】 嵇阳； 唐洪武； 闫静； 陈红；

【机构】 河海大学水利水电学院； 河海大学理学院；

【摘要】 激光多普勒测速仪(Laser Doppler Velocimeter,LDV)是一种利用激光多普勒效应来测量流体或固体运动速度的仪器。LDV利用流体中散射粒子或固体表面对入射激光进行散射,并通过光电探测器测得此散射光的多普勒频移,利用多普勒频移与散射粒子的速度之间的线性关系,换算得到流体或固体表面的运动速度。LDV可将被测点聚焦成很小的测量区域,空间分辨率搞,输出信号的频率和速度呈线性关系,覆盖流速范围宽,并且不受压力、温度、密度及黏度等流场特性的影响。LDV具有非接触测量、高精度和快速响应等优点,这使得它在流体实验中获得了广泛的应用,已成为当前各种流体测量,尤其是紊动测量的一种有力手段。河流运动中存在植物介质的水流现象相当普遍。当大流量经过时,河道漫滩上存在的植物会引起水流运动形态的变化,减慢植物区域水流的流速,进而影响到污染物的分别,河床泥沙冲淤的变形等。明渠中植物的阻水机理及水流紊动特性的科学研究具有很高的使用价值和重要的理论意义。本文采用激光多普勒测速仪对明渠水流中含有柔性挺水植被和沉水植被的流场特性分别进行了研究。实验水槽长12m,宽0.42m,高0.7m,模型鸢尾草高度60cm,枝叶冠层平均宽度20cm,实验水深控制在30cm。试验中安排两种不同的排列方式,种植密度分别为83株/平方米和48株/平方米,分别测量其进水流量Q,水位H,断面平均流速U。我们分别对种植植物前后流速沿垂线分布的变化和种植植物前后紊动强度沿垂线分布曲线的对比进行了研究。研究结果表明,水面线以下至植物根部以上1 0cm的范围内植物枝叶密集,阻水面积很大,水流流速相对于没有种植植物的情况明显减小,而从10cm的位置开始向下直至水槽底部,植物阻水面积大大减小,水流流速增大的趋势相当明显。在流量较小、水深较浅时紊动强度振荡幅度较强,其沿垂线分布曲线在x方向和y方向分别有两处拐点。在流量逐渐增大、水深相对较深时,紊动强度振荡幅度减小,相对水深较浅时要稳定很多,没有明显的拐点。更多还原