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ＤＯＩ：１０．１６１９８／ｊ．ｃｎｋｉ．１００９－６４０Ｘ．２０１８．０１．００３陈诚，夏云峰，黄海龙，等．大型河工模型分布式表面流场测量系统研制及应用［Ｊ］．水利水运工程学报，２０１８（１）：１７－２２．（ＣＨＥＮＣｈｅｎｇ，ＸＩＡＹｕｎｆｅｎｇ，ＨＵＡＮＧＨａｉｌｏｎｇ，ｅｔａｌ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｆｏｒｓｕｒｆａｃｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｉｎｌａｒｇｅ⁃ｓｃａｌｅｒｉｖｅｒｍｏｄｅｌｔｅｓｔ［Ｊ］．Ｈｙｄｒｏ⁃ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１８（１）：１７－２２．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ））㊀第１期２０１８年２月水利水运工程学报ＨＹＤＲＯ⁃ＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＮｏ．１Ｆｅｂ．２０１８㊀㊀收稿日期：２０１７－０３－１６㊀㊀基金项目：国家重大科学仪器设备开发专项（２０１１ＹＱ０７００５５）；国家重点研发计划项目（２０１７ＹＦＣ０４０５７０３）；国家自然科学基金资助项目（５１３０９１５９）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金（Ｙ２１６００４，Ｙ２１５００６，Ｙ２１４００２，Ｙ２１２００９）㊀㊀作者简介：陈㊀诚（１９８２ ），男，贵州贵阳人，高级工程师，博士，主要从事水力学及河流动力学研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｃｃｈｅｎ＠ｎｈｒｉ．ｃｎ大型河工模型分布式表面流场测量系统研制及应用陈㊀诚，夏云峰，黄海龙，王㊀驰，金㊀捷，周良平（南京水利科学研究院水文水资源及水利工程科学国家重点实验室，江苏南京㊀２１００２９）摘要：在河工模型试验中，粒子图像表面流场测量方法得到了广泛应用㊂研制了一种新型分布式表面流场测量系统，该系统采用局域网组网与光纤传输相结合，通过ＰＯＥ千兆交换机与高清智能一体化工业摄像机相连，显著降低了布线复杂度，具有系统传输距离远㊁布设简单㊁集成度高㊁可扩展性强等优点㊂系统具备可视化全自动采集㊁可视化错误矢量剔除㊁导出多种数据格式，生成流场等值线图㊁流线等功能㊂在系统研制基础上，提出了一种对粒子图像表面流场测量系统进行精度检测的新方法，通过精确控制匀速旋转平台模拟水流运动，将表面流场测量系统实测数据与旋转平台上各点精确数据进行对比检测，检测结果表明，研制的表面流场测量系统测量误差小于５％，已在长江河口模型等多个大型河工模型中得到成功应用㊂关㊀键㊀词：模型试验；流场测量；粒子图像；检测方法中图分类号：ＴＶ８３㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号：１００９－６４０Ｘ（２０１８）０１－００１７－０６在河工模型试验中，采用粒子图像测速技术（ＰＩＶ，ＰａｒｔｉｃｌｅＩｍａｇｅＶｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）测量表面流场，可以获取河流泥沙工程中的流速分布信息，从而对河流水动力结构进行研究，为工程方案提供科学依据，该技术已广泛应用于河工及港工模型大范围瞬时表面流场的测量［１－４］㊂河工模型试验中的ＰＩＶ技术与水槽试验中的常规ＰＩＶ技术的区别主要在于：①测量区域比常规ＰＩＶ大得多，通常摄像头架设的位置离测量区域较远，为了满足图像处理的要求，所采用的示踪粒子粒径较大；②照明系统通常采用普通光源（甚至可以是自然光）照明，而常规ＰＩＶ需要专门的激光片光源进行照明㊂目前表面流场测量系统能够多次自动测量大范围的表面流场，较好地解决模型试验的流场测量问题，但也存在需要进一步改进的地方：如安装及标定过程较复杂；布线麻烦；测量过程中需对每个通道的图像进行手动阈值调整；流场错误矢量剔除费时费力㊂为了解决上述难题，本文研制了一种新型分布式表面流场测量系统，并成功应用于模型试验研究㊂为了分析研究模型试验中的粒子图像测速技术，便于不断完善和提升表面流场测量系统的各项性能指标，从而促进河流泥沙科学研究水平不断提高，有必要研究表面流场测量系统测量精度的检测方法㊂示踪粒子跟随性㊁摄像机分辨率㊁镜头畸变㊁安装高度㊁图像采集时间控制精度及流场提取算法等都直接影响系统测量精度，在流场系统实际使用过程中，粒子图像跟踪算法（ＰＴＶ，ＰａｒｔｉｃｌｅＴｒａｃｋｉｎｇＶｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）中粒子图像阈值及ＰＩＶ互相关算法中相关窗口大小的确定也会直接导致测量误差［５－９］㊂目前常用的检测方法主要是在模型试验中使用常用的流速仪包括旋桨流速仪㊁ＡＤＶ声学多普勒流速仪等进行对比测量，但这些流速仪都需. All Rights Reserved.水利水运工程学报２０１８年２月要放置于一定水深才能测量，无法直接测出表面流速，会直接影响检测结果㊂为了解决上述问题，提出了一种对模型试验中粒子图像表面流场测量系统进行精度检测的新方法㊂１㊀分布式表面流场测量系统研制１ １㊀研制原理基于粒子图像测速技术（ＰＩＶ）研制大范围表面流场测量系统㊂采用千万像素高清智能一体化工业摄像机，通过无线网络与电脑连接，采用互相关算法［１０－１１］进行粒子图像匹配来计算表面流场，应用粒子图像跟踪算法（ＰＴＶ）［１２－１３］测量粒子迹线并生成动态可视化流迹线，结合流体力学连续性原理对流场中错误矢量进行剔除㊂系统可同步测量大范围多通道的表面流场及流迹线，具有较高的测量效率和精度，适用于大型物理模型试验表面流速分布的测量㊂图１㊀系统组网示意Ｆｉｇ １Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓｙｓｔｅｍｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ１ ２㊀硬件系统组成系统采用局域网组网与光纤传输相结合，如图１所示，通过ＰＯＥ（ＰｏｗｅｒＯｖｅｒＥｔｈｅｒｎｅｔ）千兆交换机与高清智能一体化工业摄像机相连，供电同时传输图像，完成摄像机局域网组网后，通过光纤收发器进行长距离图像传输，满足远距离㊁高速㊁高宽带的快速以太网工作的需要，达到长距离的高速远程互连㊂然后通过交换机与无线路由器传输，实现计算机终端的无线连接㊂由于采用了ＰＯＥ供电，显著降低了布线复杂度，系统传输距离远，布设简单，集成度高，可扩展性强㊂采用１２００万像素高分辨率智能一体化工业摄像机，图像分辨率４０００ˑ３０００像素，配置红外自动增益，自适应光线调节，自动变焦（２ ８ １２ｍｍ），安装高度１２ｍ，终端拍摄范围为２０ｍˑ１８ｍ㊂可实时拍摄彩色高清照片，配置红外自动增益，自适应光线调节，背光补偿，数字宽动态，特别适用于大型河工模型长时间测量，自动消除光线变化影响㊂标准型工作温度－３０ħ ６０ħ，一体化ＩＰ６７防护等级护罩，有效解决模型试验中温度㊁湿度等问题，保证系统长期稳定运行㊂另外，支持智能化嵌入图像处理算法，显著提高图像处理速度，可保证多通道瞬时同步采集㊂智能一体化工业摄像机具有千兆网接口，并采用ＰＯＥ供电，通过ＰＯＥ千兆网交换机，仅用一根网线便可同时完成图像传输和摄像机供电，无须另外再配供电线路，显著降低了布线的复杂度，扩展简单，节能环保㊂另外，在摄像机上设置了水准气泡，在安装过程中可以方便㊁快速准确地将摄像机调成水平，在标定过程中每个摄像机拍摄范围内只需要选择２个标定点即可完成图像坐标与模型坐标的转换㊂图２㊀可视化全自动采集Ｆｉｇ ２Ｖｉｓｕａｌａｎｄａｕｔｏｍａｔｉｃａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ１ ３㊀软件系统功能软件系统基于ＶｉｓｕａｌＳｔｕｄｉｏ平台，结合数字图像处理技术与河流动力学理论，主要包括图像采集模块㊁图像处理模块及流场数据后处理模块㊂主要功能如下：（１）可视化全自动采集：无需手动设置图像阈值等进行粒子识别，采集时可实时监控多通道粒子分布情况㊂采用互相关算法与流体力学基本理论相结合，自动进行粒子匹配，同步采集大范围多通道的流场数据，如图２所示㊂（２）采用可视化错误矢量剔除方法：基于流体连续性原理，选择局部流场区域，通过滑动条控件调整流速大小及方向阈值，超过此范围的流速矢量自动差别为错误矢量，进行实时突出显示后可直接剔除，处理速度快㊂并可进行网格插值㊁断面流速插值㊁定点插值等，８１. All Rights Reserved.㊀第１期陈㊀诚，等：大型河工模型分布式表面流场测量系统研制及应用图３㊀迹线可视化Ｆｉｇ ３Ｓｔｒｅａｍｌｉｎｅｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ数据后处理快速方便㊂（３）流场数据可直接导出为ＴＸＴ，ＣＡＤ，ＴＥＣＰＬＯＴ和ＢＭＰ等多种格式，可生成流场等值线图㊁流线等㊂（４）采用粒子跟踪图像处理算法，识别并提取粒子图像，动态地叠加到背景图像，生成动态可视化流迹线图像及视频，如图３所示㊂２㊀系统精度检测方法模型试验中水流运动通常较为复杂，在边界突变等情况下容易产生旋转流等，为了尽量接近模型试验中真实流动情况，同时便于提取对比测量数据，设计匀速旋转平台来模拟水流运动㊂用计算机精确生成随机粒子图像（粒子大小与分布可调），然后打印固定在旋转平台上，以恒定的角速度ω旋转来模拟模型试验中表面流场的粒子运动㊂由于旋转平台上的粒子是由计算机精确生成，在平台的坐标位置可以精确测定㊂将表面流场测量系统摄像机拍摄的平台中心与平台中心精确对应，旋转平台上任意位置的速度大小可通过ｖ＝ωｒ精确测定，速度方向为该点的切线方向㊂将表面流场测量系统实测流场数据与旋转平台精确值进行对比，便可直接测出系统测量误差㊂图４㊀检测装置组成Ｆｉｇ ４Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｄｅｔｅｃｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅ检测装置主要包括：圆形旋转平台㊁步进电机㊁控制器㊁传动机构等（见图４）㊂圆形旋转平台为直径３０ｃｍ的光滑平整铝制转盘㊂步进电机分辨率为０ ００１ʎ，最大转速可达５０ʎ／ｓ㊂驱动模式采用蜗轮蜗杆结构，传动比为９０：１㊂旋转轴系采用多道工艺精密加工而成，配合精度高㊂转盘刻度圈是激光刻划标尺，方便初始定位和读数，采用精密研配的蜗轮蜗杆结构，可以任意正向和反向旋转且空回极小㊂步进电机和蜗杆通过弹性联轴节连接，传动同步，消偏性能好，大大降低了偏心扰动且噪音小㊂控制器总是工作在４种状态之一：自动状态㊁手动状态㊁程序编辑状态㊁参数设定状态㊂控制器通电后，控制器处于手动状态且坐标值自动清零，可进行手动／自动模式切换，设置旋转速度㊁旋转时间㊁旋转方向等参数㊂系统检测时，将旋转平台旋转在拍摄图像中心位置，分别设置旋转平台旋转速度为１，５，１０，２０和３０ʎ／ｓ，在平台平稳运行过程中使用表面流场系统进行测量，保存测量数据；为了检测系统的畸变校正性能，可在拍摄图像中心位置与图像边缘间分别放置旋转平台进行检测㊂为了检测系统在不同高度的测量性能，可变换安装高度进行检测㊂经过多次检测，研制的表面流场测量系统测量误差小于５％㊂３㊀系统应用将研制的分布式表面流场测量系统应用在长江河口段模型中，用于常熟港区规划模型试验研究，系统安装了３０个高清智能一体化摄像机，其布置见图５㊂图６为测得的工程河段流场㊂由图６可见，流场图反映了工程河段的落急流场情况，以及该工程河段滩槽的流态分布规律㊂根据系统测得的粒子数据计算工程河段指定点的表面流速过程线，进而可分析工程实施前后流速过程变化㊁涨落急流速或平均流速的变化，模型验证时则可以用来验证模型测点与原型实测测点的流速相似性㊂在试验过程中，选取了６个流速测点进行了对比验证，由图７可见，系统测得的流速数据，与原型实测数据相比，各流速测点的流速过程线模型与天然吻合程度较好，既表明表面流场测量系统测量流速具有较高精确性，又表明了模型与原型有较好相似性㊂９１. All Rights Reserved.水利水运工程学报２０１８年２月图５㊀长江河口段模型中摄像机布置Ｆｉｇ ５ＣａｍｅｒａｐｌａｃｅｄｉｎＹａｎｇｔｚｅＲｉｖｅｒｅｓｔｕａｒｙｍｏｄｅｌ图６㊀表面流场测量系统测得的工程河段流场Ｆｉｇ ６Ｆｌｏｗｆｉｅｌｄｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｒｅａｃｈｍｅａｓｕｒｅｄｂｙｓｕｒｆａｃｅｆｌｏｗｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ图７㊀模型试验流速验证Ｆｉｇ ７Ｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｉｎｍｏｄｅｌｔｅｓｔｓ４㊀结㊀语（１）本文研制了一种分布式表面流场测量系统，该系统采用局域网组网与光纤传输相结合，通过ＰＯＥ千兆交换机与高清智能一体化工业摄像机相连，显著降低了布线复杂度，系统传输距离远，布设简单，集成度高，可扩展性强，并在长江河口段模型等多个大型河工模型中得到了成功应用㊂（２）设计制作了一种对模型试验中粒子图像表面流场测量系统进行精度检测的检测装置，通过精确控制匀速旋转平台模拟水流运动，可将流场测量系统实测数据与旋转平台上各点精确数据进行对比检测，通过多次检测，研制的表面流场测量系统测量误差小于５％㊂（３）该系统精度检测方法是基于示踪粒子完全跟随水流运动的情况下进行检测的，没有考虑示踪粒子跟随性对系统测量误差的影响，在今后的工作中需进一步补充完善㊂参㊀考㊀文㊀献：［１］唐洪武．复杂水流模拟问题及图像测速技术的研究［Ｄ］．南京：河海大学，１９９６．（ＴＡＮＧＨｏｎｇｗｕ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｃｏｍｐｌｅｘｆｌｏｗｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｉｍａｇｅｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ［Ｄ］．Ｎａｎｊｉｎｇ：ＨｏｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，１９９６．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ））０２. All Rights Reserved.㊀第１期陈㊀诚，等：大型河工模型分布式表面流场测量系统研制及应用 ［２］王兴奎，庞东明，王桂仙，等．图像处理技术在河工模型试验流场量测中的应用［Ｊ］．泥沙研究，１９９６（４）：２１⁃２６．（ＷＡＮＧＸｉｎｇｋｕｉ，ＰＡＮＧＤｏｎｇｍｉｎｇ，ＷＡＮＧＧｕｉｘｉａｎ，ｅｔａｌ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈｎｉｃｓｔｏｖｅｌｏｃｉｔｙｆｉｅｌｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｉｎｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｅｄｉｍｅｎｔＲｅｓｅａｒｃｈ，１９９６（４）：２１⁃２６．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ））［３］田晓东，陈嘉范，李云生，等．ＤＰＩＶ技术及其应用于潮汐流动表面流速的测量［Ｊ］．清华大学学报（自然科学版），１９９８，３８（１）：１０３⁃１０６．（ＴＩＡＮＸｉａｏｄｏｎｇ，ＣＨＥＮＪｉａｆａｎ，ＬＩＹｕｎｓｈｅｎｇ，ｅｔａｌ．ＤＰＩＶｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｖｅｌｏｃｉｔｙｍｅａｓｕｒｉｎｇｔｉｄａｌｆｌｏｗ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＳｃｉｅｎｃｅｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ），１９９８，３８（１）：１０３⁃１０６．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ））［４］唐洪武，陈诚，陈红，等．实体模型表面流场㊁河势测量中图像技术应用研究进展［Ｊ］．河海大学学报（自然科学版），２００７，３５（５）：５６７⁃５７２．（ＴＡＮＧＨｏｎｇｗｕ，ＣＨＥＮＣｈｅｎｇ，ＣＨＥＮＨｏｎｇ，ｅｔａｌ．Ｒｅｖｉｅｗｏｆｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｐｐｌｉｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｓｕｒｆａｃｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄａｎｄｒｉｖｅｒｒｅｇｉｍｅｏｆｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｏｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ），２００７，３５（５）：５６７⁃５７２．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ））［５］吴龙华，严忠民，唐洪武．ＤＰＩＶ相关分析中相关窗口大小的确定［Ｊ］．水科学进展，２００２，１３（５）：５９４⁃５９８．（ＷＵＬｏｎｇｈｕａ，ＹＡＮＺｈｏｎｇｍｉｎ，ＴＡＮＧＨｏｎｇｗｕ．ＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｗｉｎｄｏｗｓｉｚｅｓｉｎｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆＤＰＩＶ［Ｊ］．ＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＷａｔｅｒＳｉｃｅｎｃｅ，２００２，１３（５）：５９４⁃５９８．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ））［６］ＳＵＴＡＲＴＯＴＥ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｌａｒｇｅｓｃａｌｅｐａｒｔｉｃｌｅｉｍａｇｅｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ（ＬＳＰＩＶ）ｔｏｉｄｅｎｔｉｆｙｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｎｉｎａｃｈａｎｎｅｌ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｄｉａＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，１２５：２１３⁃２１９．［７］ＫＡＮＴＯＵＳＨＳＡ，ＳＣＨＬＥＩＳＳＡＪ．Ｌａｒｇｅ⁃ＳｃａｌｅＰＩＶＳｕｒｆａｃｅＦｌｏｗＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｉｎＳｈａｌｌｏｗＢａｓｉｎｓｗｉｔｈＤｉｆｆｅｒｅｎｔＧｅｏｍｅｔｒｉｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＶｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ，２００９，１２（４）：３６１⁃３７３．［８］ＦＯＸＪＦ，ＰＡＴＲＩＣＫＡ．Ｌａｒｇｅ⁃ｓｃａｌｅｅｄｄｉｅｓｍｅａｓｕｒｅｄｗｉｔｈｌａｒｇｅｓｃａｌｅｐａｒｔｉｃｌｅｉｍａｇｅｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ［Ｊ］．ＦｌｏｗＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ，２００８，１９（５）：２８３⁃２９１．［９］ＦＵＪＩＴＡＩ，ＫＵＮＩＴＡＹ．ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｅｒｉａｌＬＳＰＩＶｔｏｔｈｅ２００２ｆｌｏｏｄｏｆｔｈｅＹｏｄｏＲｉｖｅｒｕｓｉｎｇａｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒｍｏｕｎｔｅｄｈｉｇｈｄｅｎｓｉｔｙｖｉｄｅｏｃａｍｅｒａ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｙｄｒｏ⁃ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＲｅｓｅａｒｃｈ，２０１１，５（４）：３２３⁃３３１．［１０］ＳＨＩＳ，ＣＨＥＮＤ．ＴｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｎａｕｔｏｍａｔｅｄＰＩＶｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅ ＳｍａｒｔＰＩＶ［Ｊ］．ＦｌｏｗＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ，２０１１，２２（３）：１８１⁃１８９．［１１］ＣＨＩＮＤ，ＳＡＮＧＪＬ．ＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｒｅｃｕｒｓｉｖｅＰＩＶａｌｇｏｒｉｔｈｍｗｉｔｈｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｂａｓｅｄｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｕｓｉｎｇｖａｒｉｏｕｓｆｌｏｗｉｍａｇｅｓ［Ｊ］．ＫＳＭＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌ，２００３，１７（３）：４０９⁃４２１．［１２］ＴＡＮＧＨＷ，ＣＨＥＮＣ，ＣＨＥＮＨ，ｅｔａｌ．ＡｎｉｍｐｒｏｖｅｄＰＴＶｓｙｓｔｅｍｆｏｒｌａｒｇｅ⁃ｓｃａｌｅｐｈｙｓｉｃａｌｒｉｖｅｒｍｏｄｅｌ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｙｄｒａｕｌｉｃｓ，２００８，２０（６）：６６９⁃６７８．［１３］ＮＥＺＵＩ，ＳＡＮＪＯＵＭ．ＰＩＶａｎｄＰＴＶｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｉｎｈｙｄｒｏ⁃ｓｃｉｅｎｃｅｓｗｉｔｈｆｏｃｕｓｏｎｔｕｒｂｕｌｅｎｔｏｐｅｎ⁃ｃｈａｎｎｅｌｆｌｏｗｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｙｄｒｏ⁃ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＲｅｓｅａｒｃｈ，２０１１，５（４）：２１５⁃２３０．１２. All Rights Reserved.水利水运工程学报２０１８年２月Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｆｏｒｓｕｒｆａｃｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｉｎｌａｒｇｅ⁃ｓｃａｌｅｒｉｖｅｒｍｏｄｅｌｔｅｓｔＣＨＥＮＣｈｅｎｇ，ＸＩＡＹｕｎｆｅｎｇ，ＨＵＡＮＧＨａｉｌｏｎｇ，ＷＡＮＧＣｈｉ，ＪＩＮＪｉｅ，ＺＨＯＵＬｉａｎｇｐｉｎｇ（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＨｙｄｒｏｌｏｇｙ⁃ＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＨｙｄｒａｕｌｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＨｙｄｒａｕｌｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎａｎｊｉｎｇ㊀２１００２９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｒｉｖｅｒｍｏｄｅｌｔｅｓｔｓ，ｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｉｍａｇｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｈａｖｅｂｅｅｎａｐｐｌｉｅｄｗｉｄｅｌｙ．Ａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｆｏｒｌａｒｇｅ⁃ｓｃａｌｅｒｉｖｅｒｍｏｄｅｌｔｅｓｔｓ．Ｍｉｌｌｉｏｎ⁃ｐｉｘｅｌｈｉｇｈ⁃ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｃａｍｅｒａｓｗｅｒｅｕｓｅｄｉｎｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍａｎｄｃｏｎｎｅｃｔｅｄｗｉｔｈａｃｏｍｐｕｔｅｒｗｉｔｈｗｉｒｅｌｅｓｓｎｅｔｗｏｒｋ．ＴｈｅｒｅｉｓａｇｉｇａｂｉｔＰＯＥ（ＰｏｗｅｒＯｖｅｒＥｔｈｅｒｎｅｔ）ｉｎｔｅｒｆａｃｅｉｎｔｈｅｃａｍｅｒａ．ＴｈｅｉｍａｇｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｎｄｃａｍｅｒａｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｃａｎｂｅｃｏｍｐｌｅｔｅｄａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅｂｙｏｎｌｙａｃａｂｌｅｗｉｔｈａｇｉｇａｂｉｔＰＯＥｓｗｉｔｃｈ．Ｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｏｆｗｉｒｉｎｇｃａｎｂｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｒｅｄｕｃｅｄｓｏｔｈａｔｔｈｅｃａｍｅｒａｓｃａｎｂｅｅａｓｉｌｙａｄｄｅｄｉｎｔｏｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｆｕｎｃｔｉｏｎｓｓｕｃｈａｓｖｉｓｕａｌａｎｄａｕｔｏｍａｔｉｃａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｖｉｓｕａｌｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎｆｏｒｅｒｒｏｒｖｅｃｔｏｒ，ｄａｔａｅｘｐｏｒｔｗｉｔｈａｖａｒｉｅｔｙｏｆｄａｔａｆｏｒｍａｔｓ，ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆｆｌｏｗｃｏｎｔｏｕｒｓａｎｄｓｔｒｅａｍｌｉｎｅｓ；Ａｎｅｗｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｉｍａｇｅｓｕｒｆａｃｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｓｔｕｄｙ．Ｗａｔｅｒｆｌｏｗｃａｎｂｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙｔｈｅａｃｃｕｒａｔｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｕｎｉｆｏｒｍｒｏｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｄａｔａｆｒｏｍｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅａｃｃｕｒａｔｅｄａｔａｏｆｔｈｅｒｏｔａｔｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｔｉｍｅｏｆｔｈｅｉｍａｇｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ，ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｉｍａｇｅｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎａｎｄｆｌｏｗｅｘｔｒａｃｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｃａｎｂｅｄｅｔｅｃｔｅｄ．Ｔｈｅｍｏｄｅｌｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｅｒｒｏｒｓｏｆｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄａｒｅｌｅｓｓｔｈａｎ５％．ＴｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｂｅｅｎｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｔｈｅＹａｎｇｔｚｅＲｉｖｅｒｅｓｔｕａｒｙｍｏｄｅｌｔｅｓｔｓａｎｄｏｔｈｅｒｌａｒｇｅｒｉｖｅｒｍｏｄｅｌｓｔｅｓｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｏｄｅｌｔｅｓｔ；ｆｌｏｗｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｐａｒｔｉｃｌｅｉｍａｇｅ；ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ２２. All Rights Reserved.。
河流模拟物理模验（夏云峰余文畴）河流模拟物理模验(夏云峰余文畴)————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：河流模拟物理模型试验（夏云峰余文畴）第一节河流模拟基本原理及物理模型试验选用一、河流模拟相似的一般原理河流模拟相似必须遵循下述一些基本条件：（1）模型的流动现象和原型的现象应当属同一类型，即为同一物理规律所描述，如天然河流一般处于紊流状态，这就要求模型也必须为紊流。
（2）模型和原型对应断面上，决定性相似准数相等，只有成自动模拟时，才可以不遵守该条件。
如天然河流一般处于阻力平方区，流动阻力系数不再随雷诺数变化而变化，当模型也处于阻力平方区，模型处于自模区，只需保证弗如德数和阻力相似准数相等，雷诺数相等可以不需保证。
（3）模型和原型的同名物理量的相似常数相等。
（4）模型和原型须成几何相似。
但受场地、供水、量测和流动特性等条件限制，往往要采用平面比尺和垂直比尺不同的所谓变态模型，实践经验表明，在一定条件下，变态模型仍具备足够的相似性。
（5）模型的时间条件应当和原性的时间条件相似。
（6）模型的边界条件和初始条件应当和原性的边界条件和初始条件相似。
二、物理模型试验的类型本文涉及的物理模型试验是指河工模型试验，试验分类依据模型试验的作用和性质等来区分。
（1）按建设项目不同种类分，有防洪工程模型，河道治理工程模型，航道及港口工程模型，桥隧工程模型等。
（2）按水流运动性质分，有潮汐河工模型，无潮河工模型。
（3）按模型几何相似程度分，有正态河工模型和变态河工模型。
（4）按河床的活动性分，有定床河工模型和动床河工模型。
（5）按泥沙输移性质分，有推移质定床输沙模型、推移质动床模型、悬移质定床淤积模型和悬移质动床模型。
三、物理模型试验的选用1、物理模型试验的选用原则河道管理范围内建设项目防洪评价涉及的模型试验专题研究其模型试验选用基于以下原则。
河工模型相似理论及模型技术方法范嘉炜（天津大学，天津市，邮编300072）摘要：在平原冲积河流上，因水流的周期性变化使河床的这种变化过程也带有周期性的重复特点，长时期观测是有规律可循的，即有一定相似准则可以模拟，因次分析和相似原理是经常联合使用的，当研究的物理现象复杂，纯理论不足以解决这些复杂现象问题时，不得不借助于模型试验手段，模型试验就有相似问题，意味着模型与原型的无因次量必须相等。
而在现代水利工程中，决定江河的治理方案，主要依赖于河工模型试验.由于我国河流的泥沙问题非常突出，因此尽管对于河工模型试验方法的研究起步较晚，但是近些年随着我国水利事业的发展，有关科研机构及高等院校开展了大量的河工模型试验，因而在河工模型模拟方法这一领域，我国的研究处于世界领先地位。
关键词：河工模型；相似理论；物理模拟；数学模拟中图分类号： 文献标识码：1河工模型相似理论从发展过程来讲，河工模型模拟方法有两个阶段，即最初采用不强调严格遵守比尺的自然模型方法和比尺模型法。
自然模型是定性的，根据模型河床形态凭水流本身去塑造，与原型相似与否的标志主要是模型小河的河床形态及演变过程同原型是否相似，因而具有考虑河型相似的优点；比尺模型方法是以相似论为基础的，可以根据水流及泥沙运动的基本规律寻求相似条件，并由此确定各项比尺。
而今人们大都采用比尺模型方法.要使模型试验能够正确反映实际现象，那么在模型上就要满一下足三个主要条件。
为了较为系统的介绍比尺模型法，笔者首先归纳总结了相似率方面的知识：1.1 河床几何形态相似 原、模型几何比尺是定值，当垂直比尺与水平比尺相同时称(几何)正态模型，反之称(几何)变态模型。
1.2 水流运动相似 无论推移质还是悬移质泥沙，为保证运动与原型相似，都必须满足水流运动相似条件，模型与原型二者所受作用力之比应等于惯性力之比。
以“λ”表示原型与模型比值即比尺时，应遵循无因次数Fr 相同，即gh v Fr /2=相等。
模型与原型中各对应水体质点的速度v 和加速度a 成一定比例且相对方向相同，以及模型与原型水流必须处于同一流区和流态。
为求水流动力相似条件通常有三种方法;即方程分析法、量纲分析法及传统推导法 [1,2]。
而对河流模型而言主要考虑重力相似与阻力相似，由重力相似有Fr 等于常数。
重力相似条件h v λλ= (1)阻力相似条件 2/13/21⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=L h R v n λλλλλ (2)当流速用Manning 公式表示时，有:LH n λλλ3/2= (3) 对正态模型有 6/1L n λλ= (4)式中v λ为流速比尺;n λ为糙率比尺;R λ、h λ、L λ分别为水力半径、垂直及水平比尺。
为保证模型与原型水流相似，模型水流尚应考虑某些限制条件，如模型水流应满足紊流条件，从而应使模型水流雷诺数;1000Re ≥;为使模型水流克服表面张力影响，模型最小水深应大于2～3cm;当要求模型出现表面波时，模型表面流速v 应大于23cm/s.为保证模型水流处于阻力平方区内，模型水深不能过小，从而深度比尺不能过大。
窦国仁给出的最小水深比尺判据为[3]10/75/1)60(Lm p p H v C pV λλ⋅∆≤ (5) 式中∆为糙率凸起高度:p C 为原型Chezy 系数。
1.3泥沙相互作用过程相似 河床泥沙有两种相互保持不变的力，一种是使河床泥沙颗粒脱离河底的力，一种是使泥沙颗粒保持在河底的力，它们相互作用，表现为河床泥沙颗粒脱离河床而被水流挟带到新的位置，或保持不动。
泥沙运动相似包括泥沙起动相似、悬移相似、输沙相似和河床冲淤变形相似。
1.3.1泥沙起动相似 表达泥沙起动相似条件通常有两种方法，一种为起动推移力相似，一种为起动流速相似。
起动相似条件是选择模型沙的依据之一。
1.3.2泥沙悬移相似 悬沙模型设计中，悬移相似为重要条件之一。
一般将泥沙下沉距离H 与水平移动距离L 之比值同泥沙沉速w 及流速V 间的比尺关系表示如下:mL H v w ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=λλλλ (6) 1.3.3输沙相似 为达到冲积河流河床变形的相似，必须保证进入模型河段的输沙率与原型相似，同时保证输沙能力相似。
从而要求输沙率比尺等于输沙能力比尺，即有:*=GS GS λλ (7)式中GS λ及*GS λ分别为输沙率比尺及输沙能力比尺。
对于悬沙模型，从而式(7)可表示为*=s s λλ (8)式(31)意味着含沙量比尺s λ应与水流挟沙力比尺*s λ相等。
而对于底沙模型，qs L G S λλλ⋅=,**⋅=qs L G S λλλ，此时式(7)化为*=qs qs λλ (9)由于水流输沙能力在目前尚没有理论上统一的表达公式，因此目前各家一般作法是先选定合适的输沙公式求出比尺，然后经过模型验证试验以最后确定所用输沙率比尺[4].1.3.4河床冲淤变形相似 动床模型试验所要达到的目的要求模型河床变形与原型相似，这就要涉及时间比尺问题，由河床变形方程式可以导出:GSH L t λλλλλγ202= (10) 式中2t λ为河床冲淤变形时间比尺;0γλ为淤积物干容重比尺。
由式(10)可以看出，模型的渝沙率比尺一旦确定，河床冲淤时间比尺2t λ即可求得而不能随意变动。
1.3.5河型相似条件 天然河流的河道演变过程与河底成型淤积体的运动密切相关，但现有描述泥沙运动规律的方程，尚未以严谨的理论推导出来，仅以半理论形式出现，远不能如实描述河道中成型淤积体的运动，换句话讲，仅仅按照一般的动床模型相似律设计出的比尺模型，很难如实地复演天然河流的演变特性.因此在仅按一般模型律设计出的比尺模型上，很难正确复演原型复杂的演变特性，特别是对于那些与河势平面摆动有关的问题，比尺模型几乎是无能为力的。
而自然模型在这一方面却有考虑河型相似的优点。
60年代初，屈孟浩等通过试验对于影响模型河型的主要因素进行过专门性的研究[5]，所得到的关系曲线在设计不同河型的模型时可提供合适的依据。
2当代河工模型技术80年代以来，河工模型的相似理论、模型沙材料及试验方法等方面均有了长足的发展，且趋于完善。
完成或进行着大量的试验研究课题。
就实际作用及发展趋势而言，模型试验也许永远是解决重大工程泥沙问题的主要手段。
早期的河工模型都建于国外，其成果只是一种定性的试验探讨。
半个世纪以来，特别是近10年发展相当快，期间进行过大量的动床河工模型试验，积累了丰富的经验，无论是基本理论还是模拟技术均居世界领先地位。
河工模型的主要优点在于可重现历史状况、弥补和扩充测验资料、多方案对比、局部问题细化、未来问题预测等。
因此，可通过河工模型试验预测水库及河道的水流泥沙运动规律、排沙特性、冲淤形态、河势变化等，是研究河床演变、河道整治及洪水预测预演和水库运用方式等边界条件复杂、三维性较强的问题的重要手段。
就目前的学科发展状况而言，对某些问题的研究，河工模型试验甚至是惟一的手段[6]。
2.1物理河工模型技术2.1.1初期的自然模型法 1958年冬至1960年底，黄委在陕西武功主持了三门峡水库淤积及渭河回水发展野外大模型的试验研究工作，黄科院等单位具体负责，分别开展了整体大、小模型及渭河局部变态型试验。
由于当时河工模型相似律尚不完善，为解决变动回水区水流重力相似和阻力相似、淤积相似和冲刷相似很难同时满足的矛盾，以及异重流流速过缓带来的各种难题，采用了浑水变态动床大比尺整体模型与系列延伸整体模型、清水加土法渭河局部大比尺模型相结合的研究方法综合进行分析。
该模型试验是我国最早开展的巨型水库泥沙模型试验。
尽管获得的试验结果在定性上还有一定的争议，但对于模型试验技术和方法等方面的探索还是积累了宝贵的经验，在我国河流模型发展史上有着重要的位置。
2.1.2基于相似率的模型法以黄河为例，在我国80年代，中国水科院和黄委水科院等在大量的实验研究课题下，开展了黄河下游河道整治、小浪底水库枢纽布置、渠村分洪闸特大洪水分洪模型等方面的试验研究，积累了丰富的经验[7,8]，物理模型技术有了较大进展，如含沙量比尺的确定、对于时间变态和几何变态等问题的认识，都具有非常重要的价值。
黄河以含沙量高而著称，问题十分复杂，经许多学者的努力已逐渐形成了黄河动床相似律模型。
在此期间，屈孟浩、窦国仁分别对高含沙水流模型相似律进行了探讨。
屈孟浩在长期的实践中所积累的丰富经验，如含沙量比尺的确定、对于时间变态及几何变态等问题的认识，都为多沙河流模型的设计与试验操作提供了参考，而且为以后黄河泥沙模型相似律的发展与完善打下了基础。
张红武等为模拟黄河不同河型的演变规律，解决变态模型如何选择悬移相似条件等难题，针对黄河高含沙洪水及其模型水流泥沙运动、含沙量比尺的确定及模型沙的选择等一系列专题开展攻关，丰富和完善了黄河动床模型相似律，成功地开展了一系列大型动床模型试验。
以此为基础，针对多沙水库模型的特点，指出水流连续相似条件是保证异重流运动相似及其它方面相似的必要条件，重新推出的异重流发生相似条件，含有修正容重沿垂线分布不均匀的系数比尺，从而使水库泥沙模型相似律趋于完善。
胡春宏、陈建国等近期开展了径河东庄水库下游河道冲淤物理模型试验、撞关高程变化对渭河下游河道影响的动床实体模型试验等方面的研究工作[9--11]，解决了渭河修建水库引起的下游冲刷、河流交汇区水沙运动等方面的相似问题，取得了令人满意的成果。
不仅在黄河上，在此期间，其他河段的河工模型试验也取得了很大成果。
2.1.3“人工小河”——自然河工模型生产中有时会遇到各种复杂课题，而且又受到环境及条件的限制，变态模型相似律表明可以使模型砂变粗些，这给研究者带来方便。
当不允许作变态模型时，“人工小河”自然河工模型就可以达到上述的要求，其实质是略掉一些模型砂的相似律的条件，以模型量与原型量的比例来确定模型的其他比尺量，这种方法与黄委会李保如，张红武[12]自然河工模型的方法相类似。
2.2数学模型法泥沙数学模型最初的应用起始于20世纪50年代初期，一维数学模型主要用于大型水库的淤积和坝下游冲刷进行长时期和长距离的河床变形的分析计算，二维数学模型也曾间或用于坝区局部河段的冲刷计算。
二维数学模型的研究，则是从研究河口、海岸水流泥沙运动开始的，西德汉森[13]是最早开展这一研究的人，20世纪70年代泥沙数学模型的研究得到快速发展，许多数学模型开始运用于水库泥沙研究，为满足工程实践的需要，随后二维、三维泥沙模型也得到了发展[14,15]。
泥沙数学模型分为水动力学、水文学以及水文学与水动力学结合的水文水动力学三类，三类泥沙数学模型虽然都得到了不同程度的应用，在河流泥沙领域以水动力学泥沙数学模型的应用与发展最为普遍与突出。
2.2.1一维泥沙数学模型的发展水动力学模型是以水流、泥沙运动力学和河床演变基本规律为基础建立的，由质量守恒定律和动量守恒定律导出水流连续方程、水流运动方程、泥沙运动方程、泥沙连续方程、河床变形方程。
