熱膜式剪應力傳感器在破碎波作用下的應用初探

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

(1.南京水利科學研究院,南京 210029;2.河海大學 港口海岸與近海工程學院,南京 210098;3.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,南京 210098;4.港口航道泥沙工程交通行業重點實驗室,南京 210024)

熱膜式剪應力傳感器在破碎波作用下的應用初探

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

(1.南京水利科學研究院,南京 210029;2.河海大學 港口海岸與近海工程學院,南京 210098;3.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,南京 210098;4.港口航道泥沙工程交通行業重點實驗室,南京 210024)

破波區床面剪應力的正確認知對于揭示海岸泥沙輸運以及地貌演變的機理具有重要意義。波浪破碎以后帶來的紊動和渦旋會對床面剪應力產生顯著的影響。采用MEMS柔性熱膜式壁面剪應力傳感器在波浪水槽中開展了破碎波作用下的床面剪應力測量應用測試。實驗結果表明該壁面剪應力傳感器可以應用于破碎波作用下的床面剪應力測量。在破波點之前可以根據近底流速輔助該傳感器判斷床面剪應力的方向。床面剪應力在波浪破碎之前變化較為平緩,在波浪破碎之后床面剪應力的波動和極值都會增大。斜坡上沿程最大床面剪應力均值的極值出現于卷破水舌入射點之后。

波浪破碎;壁面剪應力傳感器;床面剪應力;卷破波

0 引 言

在河口海岸工程基礎理論與工程應用中,泥沙起動、推移質輸沙以及懸沙底部參考點濃度的估算都離不開床面剪應力。波浪由深海傳播到近岸時,波浪開始觸底,受水深減小以及底部摩阻的影響,波浪會發生變形直到破碎[1]。破波區是泥沙輸運以及地貌演變最活躍的區域,波浪破碎屬于復雜的強非線性運動,會帶來強烈的紊動和渦旋。研究波浪破碎對床面剪應力的影響對于揭示破波區泥沙輸運具有重要意義。

由于波浪邊界層內的床面剪應力具有量級小、正負交替和變化快等特點,直接而準確地測量其底部剪應力仍具有挑戰性。常用的波浪床面剪應力直接測量儀器為應力板[2-3],通過應力板的位移或者直接測量作用于底板上的力來獲得床面剪應力。在波浪作用下,應力板的前沿和后沿之間會存在一個壓力梯度,Pujara等[4-5]研制了一種考慮了邊緣壓力梯度影響的應力板,并應用于孤立波沖流運動的研究中。除了壓力梯度的問題,應力板測得床面剪應力實質上是作用于應力板表面的平均應力,因此其測量的空間分辨率會受到影響。另一種常用的直接測量儀器是嵌平式熱膜探針[6-7]。熱膜探針較傳統的應力板具有高響應度的優勢,并且不存在壓力梯度的問題,因此常用于波浪邊界層的研究[8-9]之中。

目前,還出現了其他一些新型測量儀器用于波浪邊界層內的床面剪應力測量。Musumeci等[10]采用磁流體微刺的位移來測量波浪底部剪應力。隨著微機電系統(MEMS)技術的發展,MEMS柔性熱膜式壁面剪應力傳感器也為波浪邊界層內的床面剪應力測量提供了新的手段。梁婷等[11]驗證了該傳感器在波浪作用下床面剪應力測量中的可行性,Xu等[12]則采用該傳感器研究了波流相互作用下床面剪應力情況。

有關破碎波作用下的床面剪應力直接測量的報道較少。Boers[13]采用應力板測量了帶沙壩地形上的破波區床面剪應力,Deiggard等[14]、Yüksel等[15]和Sumer等[16-17]均采用嵌平式熱膜探針對破碎波下的床面剪應力進行了研究。嵌平式熱膜探針進行安裝時可能會存在邊壁對齊問題,加上探針尺寸較小,會給測量的準確性帶來影響。與MEMS柔性熱膜式壁面剪應力傳感器相比,該探針安裝于彎曲表面時會存在接縫處間斷的問題。另外一種間接測量的方法是測量波浪邊界層內的流速分布,進而計算得到床面剪應力的大小。當波浪破碎劇烈時,破碎波產生的紊動和渦旋可能會侵入到波浪邊界層內,在這種情形下使用間接測量方法會存在一定的不確定性。

本文延續Xu等[12]的工作,采用新型的MEMS熱膜式壁面剪應力傳感器對破碎波作用下的床面剪應力進行了應用測試。根據實驗結果討論了該傳感器在破碎波作用下的工作情況,并初步探明了破碎波作用下床面剪應力的變化規律。

1 柔性熱膜式壁面剪應力傳感器

實驗所用的壁面剪應力傳感器為西北工業大學微/納米系統實驗室研制的MEMS柔性熱膜式壁面剪應力傳感器,如圖1所示。該傳感器的熱敏元件長3mm,寬50μm,厚1μm。傳感器的襯底為聚酰亞胺柔性薄膜,傳感器表面沉積有Parylene保護層。

該剪應力傳感器的水下工作原理如圖2所示。傳感器的熱敏元件通過一定電流后產生熱量,當熱敏元件表面的流體流動時會發生強迫對流換熱從而帶走熱量。元件本身具有熱敏電阻特性,通過電橋檢測熱敏元件電阻的變化可獲得元件溫度的變化,再根據熱平衡關系和強迫對流換熱關系可以得到流速以及與流速相關的流量、壁面剪應力等信息。普朗特數Pr是流體固有的物性參數,反映了速度邊界層厚度δu和溫度邊界層厚度δt之間關系。室溫下液態水的Pr＞1,其速度邊界層厚于溫度邊界層[18],熱敏元件的熱平衡變化僅反映速度邊界層內的信息,因此熱膜式剪應力傳感器可以用于測量水下壁面剪應力。

熱敏元件電阻的變化通過電壓信號變化反映。根據對熱敏元件加熱的方式不同,該傳感器的驅動模式分為恒流、恒壓和恒溫式。本文采用的驅動模式為恒流式驅動。該熱膜式剪應力傳感器在測試應用前需進行標定,以建立傳感器輸出電壓E與壁面剪應力τb的標定關系。熱膜式壁面剪應力傳感器對環境溫度的變化敏感[19],對恒流驅動模式下工作的傳感器還沒有很好的水下溫度校正方法,因此需要對現場不同的水溫條件進行標定。

破碎波實驗所用的傳感器由具有溫控功能的水下壁面剪應力傳感器標定裝置標定,該裝置可實現不同水溫條件下的傳感器標定。該裝置的標定段為矩形截面的寬扁管道,管道長3000mm、寬220mm、高20mm。考慮到管道邊壁的影響,標定段內壁面剪應力與沿程壓力梯度的關系可由下式計算[20]:

式中:τb為上下壁面中心線上的最大剪應力;Bc為寬扁管道的寬度;Hc為寬扁管道的高度。

恒流驅動膜式下的MEMS柔性熱膜式壁面剪應力傳感器具有如下形式的標定公式[12]:

式中:A、B、n為需要通過標定實驗來確定的標定系數。本次應用研究即采用標定公式換算測量的底部剪應力。在破碎波實驗前,需根據波浪水槽內的水體溫度對實驗所用的傳感器分別進行標定。如果水溫變化過大,則需要在波浪實驗之后進行補充標定。

2 破碎波實驗布置

破碎波實驗在南京水利科學研究院的波浪水槽中進行,波浪水槽工作段長40m,寬0.8m,深1m(見圖3)。水槽頭部配有具有主動吸收功能的推板式造波機,可產生各種波浪要素的規則波和不規則波。實驗中的波高由南京水利科學研究院研制的NH型電導式波高儀測量,采樣頻率為50Hz。水槽側壁安裝有高清攝像機,用以記錄波浪破碎過程。流速由Nortek Vectrino三維聲學多普勒點式流速儀(ADV)測量,流速測點距探頭5cm,采樣頻率25Hz。流速測量主要用于輔助判別剪應力的方向,ADV的流速測點距離傳感器上方5mm處,采樣點高度為4.6mm。

波浪水槽的實驗布置如圖4所示。斜坡的坡度為1∶15,斜坡坡腳距離造波機21.8m。實驗斜坡采用厚度為8mm的光面PVC塑料板拼接而成,接縫處用玻璃膠密封,玻璃膠用小刀刮平以后表面再用厚度為0.05mm的PET聚酯薄膜膠帶覆蓋以保證接縫處平整光滑。實驗斜坡底部采用桁架支撐,并用螺栓固定于波浪水槽底部的水泥平臺上。實驗斜坡與波浪水槽側壁的接縫處用玻璃膠密封。

斜坡上每間隔一段距離安裝剪應力傳感器。剪應力傳感器連同標定時使用的有機玻璃底板一起安裝于斜坡上(見圖5)。剪應力傳感器與斜坡接縫處用工業橡皮泥填充密封后再用小刀刮平。剪應力傳感器在實驗斜坡上的布置位置如表1所示。剪應力傳感器的采樣頻率為500Hz,采樣時間為60s。實驗過程中波浪水槽內水溫范圍為21～21.5℃。

表1 破波實驗的測量斷面布置Table1 Measurement sections of bed shear stress

測試應用實驗采用的入射波浪為規則波,波浪的破碎形式可由破波相似系數區分,當以深水的波浪要素表示時,破波相似系數ξ0定義如下:

式中:tanβ為實驗斜坡的坡度;H0為深水波高;L0為深水波長。當ξ0＜0.5時為崩破波;當0.5＜ξ0＜3.3時為卷破波;當3.3＜ξ0為激破波。當忽略波浪在淺化過程中的能量損失時,根據波能流守恒和線性波理論,深水波高H0可由下式計算:

式中:H為斜坡坡腳處的波高;h為斜坡坡腳處的水深;波數k=2π/L;L為斜坡坡腳處的波長。其中k可根據波浪色散關系公式,由波浪周期T和h計算得到。

式中:g為重力加速度。深水波長L0=g T2/(2π)。

本次破碎波測試應用采用的波浪要素匯總于表2。波浪水槽中實際觀測到的波浪破碎形式為卷破波,與根據深水破波相似參數ξ0區分的相一致。

表2 破波實驗波浪要素Table 2 Wave parameters for breaking wave experiment

3 實驗結果與討論

由于該剪應力傳感器無法識別方向,因此需要通過ADV測量的流速輔助判斷方向。方向判斷的依據主要有2點:一是波浪邊界層內的床面剪應力與主流存在小于45°的相位超前[9],并且在越接近床面的地方相位差越小;二是根據近底流速在向岸和離岸方向的極值大小以及持續時間來判斷。

圖6為測量斷面H2處床面剪應力與流速對比圖。傳感器可以直接測量出床面剪應力的連續變化情況。在規則波作用情況下,傳感器輸出電壓也呈現周期性變化。在一個周期內(2s),輸出電壓會出現2個峰值和2個谷值,分別對應的是床面剪應力發生轉向和達到最大值的位置。圖中第2行為標定公式計算得到的床面剪應力|τb|。標定公式為冪函數的形式,因此計算得到最小床面剪應力只會趨近于0。圖中第4行為根據同步測量的近底流速u進行方向判斷以后得到的床面剪應力τb,正值表示向岸方向,負值表示離岸方向。

需要指出的是ADV在近壁處的流速測量上還存在一定的不確定性。Koca等[21]認為測點距離床面1.7～5mm高度的范圍內會受到床面的干擾,其影響程度取決于床面的材料特性。本研究中ADV的流速采樣點高度為4.6mm,接近于流速測點距剪應力傳感器的距離,但從實驗結果來看,剪應力傳感器上方5mm處同步測量的流速可以用于在波浪未破碎情況下的床面剪應力方向判斷。

在波浪劇烈破碎的地方存在很強的摻氣現象(見圖7),此時ADV和剪應力傳感器的信號都會受到氣泡的干擾。波浪破碎以后帶來的紊動和渦旋也會對方向的判斷帶來不確定性。在ADV信號被干擾的測量斷面,只記錄床面剪應力的絕對值|τb|。

大部分水下測量儀器都會受摻氣的影響,例如ADV、LDV(激光多普勒流速儀)等,這里摻氣現象會對傳感器的輸出和壁面剪應力的大小同時產生一定的影響。空氣的換熱效率較水要低,當氣泡經過傳感器時,熱敏元件的溫度會突然升高,該傳感器的輸出電壓也會升高,與沒有氣泡的情形相比,此時會短暫地輸出一個較小的壁面剪應力。這與實際情形也是相對應的,因為摻氣會使壁面剪應力減小[22]。由于標定公式是在水下情況得到的,空氣產生的壁面剪應力雖然較相同情況下的水介質要小,但減小的具體大小并不能通過水下標定公式得到。對于河口海岸泥沙問題的研究,一般只關心床面剪應力極大值的大小,并且根據視頻記錄,本次實驗中氣泡主要集中于水體上部,少部分觸底的氣泡也很快會因為浮力而脫離床面。因此,結合該傳感器的工作原理和應用目標,摻氣現象不影響對床面剪應力極大值的研究。

圖8為斜坡上沿程各測量斷面的床面剪應力隨時間變化的情況。其中斷面H4～H6由于前面提到的方向判別問題,只給出床面剪應力的絕對值。波浪在破碎前(見圖8中斷面H1～H3),床面剪應力呈周期性變化,向岸方向的最大床面剪應力大于離岸方向的最大剪應力,但是床面剪應力在向岸方向的持續時間要比離岸方向短。這與波浪在斜坡上淺化時波浪形狀變為不對稱有關。此時,床面剪應力仍由波浪邊界層主導。當波浪破碎以后(見圖8中斷面H4～H6),床面剪應力信號的變化在破碎以后仍然呈現一定的周期性變化,但部分周期存在一定的偏移。這是波浪在破碎以后產生的強非線性積累的結果。波浪破碎產生的紊動和渦旋侵入到波浪邊界層,對床面剪應力的信號產生顯著的影響,與波浪破碎前相比,床面剪應力的波動變得劇烈。

各測量斷面的最大床面剪應力均值|τm|通過下式計算:

式中:|τmax|為每個波周期內出現的最大床面剪應力值,N為波浪的采樣個數。圖9為斜坡沿程各斷面最大床面剪應力均值的分布情況。從圖中可以看出,沿程最大床面剪應力均值有向岸增大的趨勢,在波浪破碎之前變化趨勢較為平緩。最大床面剪應力均值在卷破水舌入射點之后的位置(H5)會出現顯著的增大,較破波點位置處(H3)出現了約2倍的放大效應。由于缺少床面剪應力方向的信息,此極值對應的方向并不明確。

對于河口海岸工程中泥沙輸移的問題,剪應力的方向關系到泥沙輸移的方向,在波浪水槽實驗中一般只需要考慮床面剪應力的正負變化,對于波浪港池中的實驗,則需要對平面360°進行全向識別,因此在該傳感器未來的開發中亟需解決剪應力方向識別的問題。

4 結 論

在波浪破碎情況下,對MEMS柔性熱膜式剪應力傳感器進行了測試應用實驗,討論了該傳感器在破碎波作用下的工作情況,并初步探明了破碎波作用下的床面剪應力變化特征,得出如下結論:

(1)MEMS柔性熱膜式剪應力傳感器可以應用于破碎波作用下的床面剪應力測量。

(2)在破波點之前可以通過ADV測得的近底流速來判斷床面剪應力的方向。當波浪破碎以后,底部剪應力方向的準確判斷仍然困難。

(3)在波浪破碎之前床面剪應力變化較為平緩,在波浪破碎之后床面剪應力的波動和極值都會增大。斜坡上沿程最大床面剪應力均值的極值出現于卷破水舌入射點之后。

致謝:西北工業大學微/納米系統實驗室馬炳和教授的團隊為本文的研究提供了MEMS柔性熱膜式剪應力傳感器和幫助,作者在此表示感謝。

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Preliminary application of hot-film wall shear stress sensor under breaking waves

Hao Siyu1,2,3,4,*,Xia Yunfeng1,3,4,Xu Hua1,3,4,Cai Zhewei1,3,4
(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 knowledge of the bed shear stress under breaking waves is essential for understanding the sediment transport and beach morphology in the surf zone.The turbulence and vortexes generated by breaking waves have a significant effect on the bed shear stress.Application tests of the bed shear stress measurement under breaking waves by the MEMS flexible hot-film shear stress sensor are conducted in a wave flume.The experimental results show that the sensor can be applied to the measurement of the bed shear stress under breaking waves.Before the breaking point,the direction of the bed shear stress can be determined by the near-bed velocity.The change of the bed shear stress is gentle before wave breaking.The fluctuations and the peak value of the bed shear stress increase after wave breaking.The extreme value of the average maximum bed shear stress along the slope appears after the plunging point.

breaking waves;wall shear stress sensor;bed shear stress;plunging breaker

TV131

:A

(編輯:楊 娟)

2017-03-06;

:2017-05-22

國家重大科學儀器設備開發專項項目(2013YQ040911);國家自然科學基金項目(51309158)

*通信作者E-mail:haosiyu@whu.edu.cn

Hao S Y,Xia YF,Xu H,et al.Preliminary application of hot-film wall shear stress sensor under breaking waves.Journal of Experiments in Fluid Mechanics,2017,31(3):60-65.郝思禹,夏云峰,徐 華,等.熱膜式剪應力傳感器在破碎波作用下的應用初探.實驗流體力學,2017,31(3):60-65.

1672-9897(2017)03-0060-06

10.11729/syltlx20170037

郝思禹(1989-),男,江蘇建湖人,博士研究生。研究方向:河口海岸及近海工程水動力環境。通信地址:江蘇省南京市鼓樓區虎踞關34號南京水利科學研究院河流海岸研究所(210024)。E-mail:haosiyu@whu.edu.cn