声学多普勒流速仪在本科生创新实验教学中的应用
时间：2022-12-08 14:25:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
方 明， 孙龙泉， 邓沐聪， 魏 然， 于志超
（哈尔滨工程大学船舶工程学院船舶与海洋工程实验教学中心，哈尔滨 150001）
近年来，流速测量仪器在国内研究生培养阶段中的应用较为广泛，但是在本科实验教学中的应用较少，大部分学者着重研究了流速测量方法的改进技术［1-3］以及气固两相流应用和气液两相流应用等［4-5］。传统的流速测量实验教学主要采用了基于伯努利原理的毕托管测速装置，该装置难以对未知方向流场进行测量，同时在开阔水域或深水水域的应用也受到限制。现代流速测量技术的快速发展促进了流速测量仪器设备的设计和研发，其中包括毕托管、基于（声学和光学）多普勒效应的流速仪以及粒子成像测速仪等［6-10］。声学多普勒流速仪具有易于操作、流场干扰小、测量稳定且精度高等优势，被广大科研工作者和工程技术人员所青睐［11-14］。如何结合声学多普勒流速仪的突出优势，应用于本科实验教学，并且培养本科生的创新意识和科研能力，是一个非常值得研究的课题。
流体力学基础实验作为一门专业必修课程，介绍了流体力学实验基础知识、流体静力学实验以及流体动力学实验等，其中包含许多经典教学实验，如毕托管测流速实验、文丘里流量计实验、动量定理实验、局部水头损失实验、沿程水头损失实验、紊动机理实验等［15-16］。实验课程内容以基础性原理实验为主，较少涉及创新性和前沿性课题内容，在引导学生自主思考和设计实验系统方面存在不足。本着在本科生教学中融入创新研究实验课程的理念，为使教学内容紧跟科技发展，将流体力学基础实验这门课作为改革对象，以理论基础课为依据，重新设计实验课程。提出将声学多普勒流速仪的测量分析过程引入实验教学的设想，搭建一套声学多普勒流速测量工装系统和测量控制系统，在拖曳水池环境下开展水体示踪粒子浓度达标实验和声学多普勒流速测量分析实验。通过对实验课程效果的总结与思考，发现在本科阶段开展创新实验教学的重要价值。
1.1 实验原理
多普勒效应是日常生活中司空见惯的一种物理现象，具体来讲是波源相对于观察者移动时，或者观察者本身相对于波源移动时，接收声波的频率会发生变化。声学多普勒流速仪通过将一对特定频率的短声脉冲发射到水中，反射信号会根据水流速度发生偏移，对检测到的返回信号进一步处理即可得到待测流速。但是，水本身并不会反射声波，因而需要在水中播撒示踪粒子，并认为一定小体积的悬浮微粒与水流的移动速度相同。
声学多普勒流速仪的工作原理如图1所示，仪器前端的脉冲发生器在t1时刻和t2时刻分别发出P1和P2两个声波信号，探测器前端小体积内的示踪粒子反射P1信号后到达接收探头，该信号会与P1信号间存在相位差φ1。同理，P2的反射信号与P2间也会存在相位差φ2。从而可依据以下式得到t1至t2时间段内示踪粒子的平均运动速度，即为此时间段内水流的平均速度v。
图1 声学多普勒流速仪工作原理示意图
式中：Δφ=φ2-φ1为相位差；
C为水中的声速值；
F为流速仪发射相干声波的频率；
Δt为两个连续脉冲间的时间差。利用流速仪的集成软件即可自动检测不同时刻的流速值。
1.2 实验仪器及设备
1.2.1 “小威龙”流速仪
本课程选用“小威龙”声学多普勒流速仪，它的性能指标见表1。
表1 “小威龙”流速仪的各项性能参数
为了避免受到表面流场干扰，并且减小测量设备引起的误差，通过固定支杆同时将2台声学多普勒流速仪安装在水面以下0.5 m位置进行测量，流速仪和固定支杆如图2所示。
图2 “小威龙”流速仪及其固定装置
1.2.2 流速测量工装系统
我校船舶与海洋工程实验教学中心设有若干船舶与海洋工程专业实验室，本试验在该中心的船模拖曳水池实验室中进行，水池的几何尺寸（长×宽×深）为108 m×7 m×3.5 m。为了使得水中含有符合测试要求的示踪粒子，在流速仪测量位置的前方安装局部播撒粒子的试验装置，如图3所示。
图3 试验装置示意图
试验装置由拖曳行车、粒子播撒器和声学多普勒流速仪组成，拖曳行车在水池上方以稳定的速度行进，速度变化范围是0.1～1 m/s，通过拖曳行车和静止水池的相对运动来模拟流场速度。粒子播撒器由悬浮溶液搅拌箱、横向固定架、竖向升降机构和阵列式播撒导管构成，如图4所示。将悬浮颗粒物溶水配比成悬浊溶液，注入搅拌箱进行稀释，通过固定架和升降机构设置阵列式播撒导管的水下位置，悬浮颗粒物溶液在重力作用下注入水下指定位置，在局部区域产生适用于声学多普勒效应的散射信号条件。声学多普勒流速仪通过固定支杆安装在粒子播撒器后端，考虑拖车行进速度和粒子沉降速度，可以计算流速仪相对于粒子播撒器的水下高度差，确定其实际安装位置。
图4 粒子播撒器示意图
1.2.3 流速测量控制系统
流速测量控制系统具有测量参数设置、数据采集和实时数据分析等功能。流速测量实验过程中，可以在控制面板上输入实验参数，包括采样率、波特率、预设流速范围、实时流速反映模式、数据存储模式等。完成实验参数设置，点击“开始采集”按钮即可触发流速仪开始采集数据。数据采集系统能够实时地显示流速数据的时历曲线。在测试过程中，可点击“保存数据”按钮，即从该时刻开始对流速数据进行自动保存。完成数据采集后，依次点击“停止保存”和“停止采集”按钮，即可停止仪器工作。软件自动保存的数据为二进制格式，可以使用控制系统软件将二进制格式转化为文本文件，便于后续的数据分析。
1.3 实验流程
本实验课包含两部分：第1个实验是水池示踪粒子浓度达标实验，第2个实验是声学多普勒流速测量分析实验。实验课以5名学生为1组，各小组共用一套测试系统（包括流速仪、流速仪固定系统、粒子播撒系统、拖曳行车、计算机及软件等），该实验配备2台小威龙流速仪、1台计算机和1套控制系统软件。其中1名学生负责控制计算机软件进行数据测量和记录，2名学生负责安装流速测量仪器并监控工装系统的工作状态，另2名学生负责维持粒子播撒系统的持续运转。
1.3.1 水池示踪粒子浓度达标实验
该实验分为4个步骤：
（1）熟悉并掌握声学多普勒流速仪的测量原理，确定流速仪的量程和波特率、采样频率等参数。
（2）通过环形卡扣工装将两台流速仪分别固定在水面以下0.5 m深处，并保证速度正方向标记（带粉红色标记的探测杆）方向为顺水流。
（3）以市售细粒径滑石粉在粒子播撒系统的贮液箱内配置示踪粒子悬浊液，确保滑石粉浓度为100～150 g/m3。
（4）设定拖车速度为0.2 m/s，使其在25～75 m的水池范围内来回运动2～5次，期间保持粒子播撒系统持续工作，直到实时测量数据质量满足可信性要求：回声强度≥110，信噪比为15～25 dB，数据相关性≥85。
1.3.2 声学多普勒流速测量分析实验
该实验分为4个步骤：
（1）在水池示踪粒子浓度达标实验完成的测量环境下，调节粒子播撒系统的贮液箱内滑石粉浓为100～150 g/m3。
（2）设定拖车速度为0.1 m/s，并保证粒子播撒系统持续工作，使拖车在25～75 m的水池范围内往返运动1次，保存去程与回程的流速测量数据。
（3）按照0.1 m/s的速度梯度增加拖车速度，在不同速度下重复步骤（2）的实验操作，直至达到1.0 m/s速度为止。
（4）将所得数据转换为文本文件，借助数据分析软件分别考核小威龙流速仪测量结果与拖车速度相关性、小威龙流速仪测量结果的准确性和小威龙流速仪测量结果的稳定性。
1.3.3 实验安排
为了充分利用实验资源、提升实验教学效率，本实验做出如下安排：
（1）在去程实验和返程实验过程中每个试验小组的5名学生可以互换角色，充分学习掌握利用声学多普勒流速仪测量流速的全过程内容。
（2）0.1～1.0 m/s分10个速度梯度，共安排5组学生进行实验，具体安排如表2所示。全部学生完成实验课程可获得3组0.1～1.0 m/s速度下的流速测量结果。
表2 不同拖车速度下的实验小组安排
1.3.4 实验思考题
为了启发学生的类比思维能力和加深学生对声学多普勒流速测量原理的理解，提出以下两个问题供学生思考。
（1）试分析伯努利原理测量流速和声学多普勒原理测量流速在应用上的优缺点。
（2）细读仪器使用简介，总结判断水流流速方向的方法。
2.1 水池示踪粒子浓度达标实验
在不断地播撒滑石粉的同时，监测流速仪所测得的实时数据，直至其各项参数均达到可信性判据要求，从而为下一步实验创造可靠的环境条件。将拖车行进速度设置为0.2 m/s，为确保测量到均匀稳定的流场，测量距离为50 m（测量时间可由行进速度转换）。首先记录静水条件下流速测量的实时曲线，之后选取播撒粒子后满足可信性判据的实时曲线，将二者进行对比分析。结果表明，静水条件下的流速测量信号的数据相关性低于20%，信噪比约为2 dB（见图5）。明显地，当水中无示踪粒子时，流速数据受到环境噪声干扰极大。在局部位置播撒示踪粒子以后，测量数据相关性达到90%，信噪比优化为16 dB，环境噪声的干扰基本被消除。
图5 示踪粒子浓度达标实验测量数据对比
2.2 声学多普勒流速测量分析实验
为了进一步验证用声学多普勒流速仪测量流速方法的适用性，使拖车行进速度在0.1～1.0 m/s之间变化，进行多次流速测量实验，并对其测量结果进行相关性、误差和稳定性分析。在此基础上，结合水池示踪粒子浓度达标实验，完成本课程的实验报告。
2.2.1 流速仪测量结果的相关性
采用最小二乘法，将不同拖车速度下的流速仪测量平均值与拖车行进速度值进行线性回归分析，结果如图6所示。在3次重复实验中，声学多普勒流速仪的测量结果与拖车行进速度之间线性相关系数（r2）接近于1（3组实验数据分别为0.99983，0.99987和0.99990），具有明显的线性相关特性。分析结果表明，流速仪测量得到的流速数据与拖车速度具有较好的相关性，该测量方法具有一定的可靠性。
图6 流速仪测量结果-拖车速度相关性分析
2.2.2 流速仪测量结果的误差
通过计算流速仪测量结果的均值与拖车行进速度值的相对误差，分析声学多普勒流速仪测量结果的精度，如图7所示。声学多普勒流速仪的测量误差均在7%以内，精度满足需求。测量误差随着流速的变化规律为：相对误差随着流场速度增大而变大，同时误差波动随着流场速度增大而变小。
图7 流速仪的测量误差
2.2.3 流速仪测量结果的稳定性
通过声学多普勒流速仪测量最大（小）值与测量平均值之间的相对误差，分析流速仪测量结果的稳定性，如图8所示。该比值反映了测量结果的极差，即代表了数据稳定性。结果表明，声学多普勒流速仪测量结果的稳定性较好，并且测量结果的稳定性随着流场速度的增加而越来越好，且以0.6、0.7、0.8 m/s时稳定性最佳。拖车速度为0.1 m/s和0.2 m/s时，测量结果的极差比值超过10%，其他拖车速度工况下，测量结果的极差比值均在10%以内。
图8 声学多普勒流速仪测量的稳定性
针对开阔广域水域或深水水域流速测量的实际需求，利用声学多普勒流速测量仪器，设计了科学、合理、易于操作的流速测量本科教学实验课程。该课程分为仪器工作原理介绍、示踪粒子浓度达标实验、声学多普勒流速测量分析实验以及课后思考拓展等4个环节，各环节之间逻辑严密、内容递进。本实验课程旨在让学生接触并了解现代化、集成化的流速测量设备和方法，注重培养学生的动手能力和协作能力，并兼顾了对学生独立思考能力的训练。通过本实验课程，学生能初步学习现实水文环境下流速测量的常用手段，并在动手实践的过程中掌握相应仪器设备的使用方法，为其以后从事船海领域的研究打下一定的实验技能基础，并激发其创新思维和科学研究的兴趣。
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