熱敏式剪應(yīng)力儀在波流動(dòng)力研究中的應(yīng)用

徐 華,3,,,夏云峰,3,,蔡喆偉,3,,郝思禹,2,3,,張世釗,3,

(1.南京水利科學(xué)研究院,南京 210029;2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院,南京 210098;3.水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210098;4.港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210024)

熱敏式剪應(yīng)力儀在波流動(dòng)力研究中的應(yīng)用

徐 華1,3,4,*,夏云峰1,3,4,蔡喆偉1,3,4,郝思禹1,2,3,4,張世釗1,3,4

(1.南京水利科學(xué)研究院,南京 210029;2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院,南京 210098;3.水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210098;4.港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210024)

河口海岸泥沙運(yùn)動(dòng)直接受制于床面剪應(yīng)力的大小,因此通過床面剪應(yīng)力來研究泥沙運(yùn)動(dòng)基本問題是泥沙運(yùn)動(dòng)理論研究的重要途徑,然而目前尚未有效形成波流復(fù)雜動(dòng)力作用下床面剪應(yīng)力的量測(cè)計(jì)算方法。本文利用基于微納米技術(shù)的熱敏式剪應(yīng)力新型儀器,在波流長(zhǎng)直水槽內(nèi)開展了床面剪應(yīng)力量測(cè)研究工作。研究表明,熱敏剪應(yīng)力儀響應(yīng)頻率高、穩(wěn)定性好,量測(cè)成果較好地反映了波流作用下床面剪應(yīng)力變化基本規(guī)律,熱敏剪應(yīng)力儀可用于波流等復(fù)雜動(dòng)力作用下床面剪應(yīng)力的量測(cè)。根據(jù)試驗(yàn)量測(cè)成果,提出了波流合成剪應(yīng)力計(jì)算初步方法,可為復(fù)雜動(dòng)力作用下泥沙運(yùn)動(dòng)基本理論問題的深入研究提供參考。

熱敏;剪應(yīng)力;波流動(dòng)力;泥沙運(yùn)動(dòng)

0 引 言

21世紀(jì)是河口海洋經(jīng)濟(jì)的世界。在河口海岸開發(fā)利用中,泥沙輸移引起的床面沖淤變化預(yù)報(bào)是工程建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。波浪和潮流是河口與海岸地帶2種常見主要?jiǎng)恿?在天文大潮和較強(qiáng)波浪作用下泥沙運(yùn)動(dòng)活躍。由于泥沙運(yùn)動(dòng)直接受制于床面剪應(yīng)力的大小,因此床面剪應(yīng)力是研究泥沙運(yùn)動(dòng)基本理論問題的重要途徑之一。床面剪應(yīng)力的測(cè)量方法大致可分為間接測(cè)量法和直接測(cè)量法。間接測(cè)量是通過測(cè)量水體底部邊界層內(nèi)脈動(dòng)流速大小[1],然后通過理論公式計(jì)算剪應(yīng)力。直接測(cè)量通過測(cè)量應(yīng)力板位移等方法來計(jì)算剪應(yīng)力大小[2-4]。剪應(yīng)力間接測(cè)量結(jié)果的精度取決于流速測(cè)量的精度,由于邊界層內(nèi)脈動(dòng)流速量測(cè)較為困難、精度不高,所以間接測(cè)量法在實(shí)際研究中應(yīng)用較少。通過應(yīng)力板直接測(cè)量床面剪應(yīng)力的方法存在測(cè)量結(jié)果受水面波動(dòng)引起正壓力變化對(duì)剪應(yīng)力測(cè)量精確度的影響問題。目前,對(duì)于水流或波浪作用下床面剪應(yīng)力和泥沙運(yùn)動(dòng)研究成果相對(duì)較為成熟,但尚未有效探明波流等復(fù)雜動(dòng)力作用下床面剪應(yīng)力量測(cè)與計(jì)算方法。由于作用于泥沙顆粒上剪應(yīng)力量小、變化快以及水下量測(cè)環(huán)境惡劣等原因,至今缺少波流等復(fù)雜動(dòng)力作用下床面剪應(yīng)力的有效量測(cè)方法,這在一定程度上制約了泥沙運(yùn)動(dòng)理論研究的進(jìn)一步發(fā)展。

20世紀(jì)80年代,國(guó)內(nèi)外開始研究應(yīng)用基于微納米技術(shù)的微型熱敏式剪應(yīng)力儀測(cè)量氣流中壁面剪應(yīng)力。通過30多年的發(fā)展,微型熱敏式剪應(yīng)力儀在空氣動(dòng)力學(xué)研究中得到了較為廣泛的應(yīng)用并逐步成熟,極大地推動(dòng)了空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展[5-6]。隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的發(fā)展,微型熱敏式剪應(yīng)力儀逐步推廣應(yīng)用到水下剪應(yīng)力測(cè)量,取得了一些突破[7-8]。但是由于水下剪應(yīng)力較小、水下工作環(huán)境惡劣等原因,微型熱敏式剪應(yīng)力儀在水下剪應(yīng)力測(cè)量應(yīng)用中仍存在耐久性差、穩(wěn)定性弱和精確度低等問題。因此,開展熱敏式剪應(yīng)力儀在波流復(fù)雜動(dòng)力作用下床面剪應(yīng)力量測(cè)研究工作具有重要的理論和實(shí)際意義。

1 熱敏式剪應(yīng)力儀簡(jiǎn)介

波流作用下床面剪應(yīng)力通過將基于微納米技術(shù)的熱敏式剪應(yīng)力儀器貼附在床面進(jìn)行量測(cè),如圖1所示,傳感器厚度約50μm,最大輸出頻率可達(dá)200 Hz以上,可快速響應(yīng)捕捉波浪等高頻運(yùn)動(dòng)復(fù)雜動(dòng)力條件下床面剪應(yīng)力變化特征。熱敏剪應(yīng)力儀工作原理是利用流體經(jīng)過熱敏元件表面帶走熱量并轉(zhuǎn)換為熱敏元件輸出電壓信號(hào)變化進(jìn)行工作的,分恒流法和恒溫法2種工作模式。本次試驗(yàn)儀器采用恒流工作模式,工作原理示意如圖2所示。熱敏儀器耐久性和穩(wěn)定性從探頭、襯底加工工藝等方面進(jìn)行了改進(jìn),而精度則通過提升加熱電流和探頭電阻達(dá)到改善效果。與以往量測(cè)方法相比較,熱敏剪應(yīng)力儀具有響應(yīng)頻率高、對(duì)水體干擾小、操作方便等優(yōu)勢(shì)。針對(duì)波流作用下剪切應(yīng)力量測(cè)范圍0～3Pa和量測(cè)精度5%等關(guān)鍵參數(shù)目標(biāo)設(shè)置,通過不斷優(yōu)化設(shè)計(jì),最終確定了合適的儀器加熱電流和探頭電阻的量值范圍。

在恒流模式下,通過傳感器的驅(qū)動(dòng)電流保持不變,加熱功率P=UI=Q2～τn,最終得到熱平衡方程[9]為:

式中:τ為剪應(yīng)力值;U為熱敏傳感器的輸出電壓值;參數(shù)A、B和n由標(biāo)定試驗(yàn)來確定。

為了得到標(biāo)定所需輸入的標(biāo)準(zhǔn)剪應(yīng)力值[10],可以通過建立扁薄矩形管道來實(shí)現(xiàn)。儀器標(biāo)定原理是通過間距極小的2個(gè)平行平板及其側(cè)壁形成扁薄矩形通道,扁薄通道內(nèi)全為純剪切流,通道槽寬10mm,設(shè)計(jì)槽高0.63mm。通過調(diào)節(jié)扁薄矩形通道流量可以獲得不同的標(biāo)準(zhǔn)剪應(yīng)力輸入值。不同水溫下,剪應(yīng)力和傳感器輸出電壓的關(guān)系曲線如圖3所示,可見同一水溫條件下,隨著剪應(yīng)力的增大,輸出電壓逐步減小;不同水溫條件下,水溫越高,輸出電壓越大[11]。

當(dāng)試驗(yàn)水溫為11.6℃時(shí),通過標(biāo)定試驗(yàn)率定得到剪應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)公式(1)中參數(shù)A、B和n分別為7.8450、0.0875和-0.2950,擬合相關(guān)系數(shù)R約為0.85,剪應(yīng)力校準(zhǔn)公式可轉(zhuǎn)換寫為式(2)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方案設(shè)計(jì)

波流作用下剪應(yīng)力量測(cè)試驗(yàn)在室內(nèi)長(zhǎng)直水槽內(nèi)進(jìn)行,試驗(yàn)水槽長(zhǎng)175m、寬1.2m、高1.6m,如圖4所示。水槽底床為水泥抹面、側(cè)壁為玻璃框架結(jié)構(gòu),水槽一端裝有造波機(jī),另一端為消波裝置。造波系統(tǒng)可產(chǎn)生規(guī)則波和不規(guī)則波,規(guī)則波周期范圍為0.5～5s。造波機(jī)由伺服發(fā)生器驅(qū)動(dòng),通過油壓控制生波板水平往復(fù)運(yùn)動(dòng),從而產(chǎn)生波浪。

水槽試驗(yàn)儀器設(shè)備主要由控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)組成。其中,控制系統(tǒng)又由造波機(jī)、可逆變頻雙向泵和控制室組成,為試驗(yàn)提供波流模擬環(huán)境;測(cè)量系統(tǒng)包括波高采集系統(tǒng)、小威龍聲學(xué)多普勒流速儀和溫度計(jì)等,分別對(duì)波高、流速和水溫等進(jìn)行測(cè)量和采集。試驗(yàn)波高測(cè)量采用CBY-Ⅱ型波高測(cè)量控制系統(tǒng),可同步采集處理30點(diǎn)波高,測(cè)量精度達(dá)0.1mm;水下流速采用Nortek-I代小威龍三維流速儀測(cè)量,測(cè)量精度1mm/s,數(shù)據(jù)采集最高頻率25 Hz。

根據(jù)研究需要,波流作用下剪應(yīng)力量測(cè)試驗(yàn)水深h范圍為0.31～0.65m,波高H范圍為0.10～0.26m,波周期T范圍為1.2～2.5s,水流流速v范圍為0.10～0.26m/s,試驗(yàn)期間水溫約為11.6℃。波流試驗(yàn)條件組合設(shè)置時(shí),考慮到波流同向、波流異向條件下波流不同強(qiáng)度組合條件等。

3 剪應(yīng)力量測(cè)計(jì)算研究

3.1 波浪作用下床面剪應(yīng)力變化特性

波浪作用下熱敏剪應(yīng)力儀輸出剪應(yīng)力變化過程如圖5所示,熱敏剪應(yīng)力儀輸出頻率為100Hz。由圖5可見,一個(gè)波周期內(nèi)量測(cè)剪應(yīng)力過程線有2個(gè)波峰和波谷,波峰表示波浪往復(fù)運(yùn)動(dòng)中床面剪應(yīng)力最大值,波谷表示波浪往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換過程中床面剪應(yīng)力最小值。波浪作用下電壓量測(cè)結(jié)果表明熱敏剪應(yīng)力儀響應(yīng)頻率高、穩(wěn)定性好。

3.2 波流作用下床面剪應(yīng)力變化特性

波流同向傳播條件下一個(gè)周期內(nèi)微型熱敏傳感器輸出剪應(yīng)力過程比較如圖6所示,由圖可見:(1)波流同向傳播時(shí),波浪反向運(yùn)動(dòng)過程波流合成剪應(yīng)力減小,而波浪正向運(yùn)動(dòng)過程波流剪應(yīng)力增大;(2)正負(fù)剪應(yīng)力時(shí)間轉(zhuǎn)換點(diǎn)發(fā)生變化,反向過程剪應(yīng)力時(shí)間縮短,正向剪應(yīng)力過程時(shí)間延長(zhǎng)。

波流異向傳播條件下一個(gè)周期內(nèi)微型熱敏傳感器輸出剪應(yīng)力過程比較如圖7所示。由圖可見,波流異向傳播傳感器輸出剪應(yīng)力過程與同向傳播規(guī)律恰好相反。從剪應(yīng)力變化過程來看,新型儀器能很好地捕捉反映波流作用下剪應(yīng)力高頻變化過程,輸出電壓變化過程結(jié)果總體可信。

3.3 波流作用下床面最大剪應(yīng)力計(jì)算研究

當(dāng)波浪和水流方向一致時(shí),Bijker[12]給出了1個(gè)波動(dòng)周期內(nèi)床面合成剪應(yīng)力經(jīng)典計(jì)算公式(3):

式中:u0為波動(dòng)水質(zhì)點(diǎn)底部水平分速;v為水流流速;系數(shù)ξ采用Swart[13]計(jì)算方法為謝才阻力系數(shù)。

研究表明,波浪對(duì)水流的影響主要表現(xiàn)在水面波動(dòng)引起水深和流速的變化,而水流對(duì)波浪的影響主要表現(xiàn)在波高的變化?；趹?yīng)力疊加基本原理,本文研究提出了波流合成剪應(yīng)力修正計(jì)算方法:

式中:τ′c為考慮波浪對(duì)水流影響修正后的水流剪應(yīng)力,謝才摩阻系數(shù)分別為考慮波浪對(duì)水流影響修正水力半徑和垂線平均流速(修正水力半徑采用各時(shí)刻實(shí)際水深進(jìn)行計(jì)算,而修正垂線平均流速通過假定流量守恒條件下采用各時(shí)刻實(shí)際水深進(jìn)行換算),n為糙率系數(shù);τ′w為考慮水流對(duì)波浪影響修正后的波浪剪應(yīng)力;u′w為考慮水流對(duì)波浪影響后的波高進(jìn)行計(jì)算。

利用試驗(yàn)測(cè)量資料對(duì)波流合成剪應(yīng)力經(jīng)典Bijker計(jì)算方法和本文修正方法進(jìn)行了比較分析,如圖8所示?？梢?Bijker公式計(jì)算值總體有所偏大,而本文修正計(jì)算方法擬合結(jié)果相對(duì)更好。與經(jīng)典Bijker公式計(jì)算結(jié)果相比較,本次研究成果與其定性總體一致,定量上存在一些差別。由于波流相互作用問題的復(fù)雜性,下階段仍需利用新型熱敏剪應(yīng)力儀等設(shè)備深入研究波流不同夾角作用下剪應(yīng)力問題。

4 結(jié) 論

由于波流作用下水下床面剪應(yīng)力具有量值小、變化快、量測(cè)環(huán)境惡劣等原因,一直缺少有效的量測(cè)方法,一定程度上制約了泥沙運(yùn)動(dòng)理論研究的發(fā)展。本文利用基于微納米技術(shù)的新型熱敏切應(yīng)力儀,通過室內(nèi)波流長(zhǎng)直水槽試驗(yàn)量測(cè)研究了水下床面剪應(yīng)力響應(yīng)變化規(guī)律。主要結(jié)論如下:

(1)熱敏剪應(yīng)力儀響應(yīng)頻率高、穩(wěn)定性強(qiáng),較好地反映了波浪及波流作用下床面剪應(yīng)力變化基本規(guī)律,儀器量測(cè)結(jié)果穩(wěn)定可靠。

(2)利用波流試驗(yàn)剪應(yīng)力量測(cè)成果,基于應(yīng)力疊加基本原理,研究提出了波流共同作用下最大剪應(yīng)力計(jì)算方法,公式擬合結(jié)果總體良好。

(3)由于波流相互作用問題的復(fù)雜性,仍需利用新型熱敏剪應(yīng)力儀等設(shè)備深入研究波流作用不同夾角條件下剪應(yīng)力計(jì)算問題。

致謝:西北工業(yè)大學(xué)微/納米系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室馬炳和教授的研究團(tuán)隊(duì)為本文的實(shí)驗(yàn)研究提供了MEMS柔性熱膜式剪應(yīng)力傳感器和指導(dǎo)使用幫助,作者在此表示衷心感謝。

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Application of thermal shear stress gauge in study on wave-current dynamics

Xu Hua1,3,4,*,Xia Yunfeng1,3,4,Cai Zhewei1,3,4,Hao Siyu1,2,3,4,Zhang Shizhao1,3,4
(1.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,China;2.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;3.The State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Nanjing 210098,China;4.Key Laboratory of Port,Waterway and Sedimentation Engineering of Ministry of Transport,Nanjing 210024,China)

The movement of sediment at estuary and coast is directly restricted by the bed shear stress.Therefore,the basic research on the influence of the bed shear stress on the sediment movement is important.However,there is no available method for measuring and computing the bed shear stress under a complicated dynamic condition like the wave current.This paper conducts the measurement and test research on the bed shear stress in a long launder of direct current by the new thermal shearometer based on micro-nanotechnology.As the research results show,the thermal shearometer has high response frequency and strong stability.The measuring result reflects the basic law of the bed shear stress with the wave and wave-current effect,and confirms that the method of measuring bed shear stress under wave-current condition with the thermal shearometer is feasible.Meanwhile,a preliminary method to compute the shear stress compounded by wave-current is put forward.It benefits further research on the basic theory of the sediment movement with complicated dynamic effects.

thermal shearometer;bed shear stress;wave-current effect;sediment movement

TV131

:A

(編輯:楊 娟)

2017-03-02;

:2017-05-22

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目(2013YQ040911);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51309158)

*通信作者E-mail:xuh@nhri.cn

Xu H,Xia YF,Cai Z W,et al.Application ofthermal shear stress gauge in study on wave-current dynamics.Journal of Experiments in Fluid Mechanics,2017,31(3):78-81,93.徐華,夏云峰,蔡喆偉,等.熱敏式剪應(yīng)力儀在波流動(dòng)力研究中的應(yīng)用.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué),2017,31(3):78-81,93.

1672-9897(2017)03-0078-05

10.11729/syltlx20170034

徐 華(1980-),男,江蘇鹽城人,博士,高級(jí)工程師。研究方向:港口航道及近海工程。通信地址:江蘇省南京市鼓樓區(qū)虎踞關(guān)34號(hào)河港樓416室(210024)。E-mail:xuh@nhri.cn