熱敏式剪應力儀在波流動力研究中的應用

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)

熱敏式剪應力儀在波流動力研究中的應用

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)

河口海岸泥沙運動直接受制于床面剪應力的大小,因此通過床面剪應力來研究泥沙運動基本問題是泥沙運動理論研究的重要途徑,然而目前尚未有效形成波流復雜動力作用下床面剪應力的量測計算方法。本文利用基于微納米技術的熱敏式剪應力新型儀器,在波流長直水槽內開展了床面剪應力量測研究工作。研究表明,熱敏剪應力儀響應頻率高、穩定性好,量測成果較好地反映了波流作用下床面剪應力變化基本規律,熱敏剪應力儀可用于波流等復雜動力作用下床面剪應力的量測。根據試驗量測成果,提出了波流合成剪應力計算初步方法,可為復雜動力作用下泥沙運動基本理論問題的深入研究提供參考。

熱敏;剪應力;波流動力;泥沙運動

0 引 言

21世紀是河口海洋經濟的世界。在河口海岸開發利用中,泥沙輸移引起的床面沖淤變化預報是工程建設中的關鍵技術問題之一。波浪和潮流是河口與海岸地帶2種常見主要動力,在天文大潮和較強波浪作用下泥沙運動活躍。由于泥沙運動直接受制于床面剪應力的大小,因此床面剪應力是研究泥沙運動基本理論問題的重要途徑之一。床面剪應力的測量方法大致可分為間接測量法和直接測量法。間接測量是通過測量水體底部邊界層內脈動流速大小[1],然后通過理論公式計算剪應力。直接測量通過測量應力板位移等方法來計算剪應力大小[2-4]。剪應力間接測量結果的精度取決于流速測量的精度,由于邊界層內脈動流速量測較為困難、精度不高,所以間接測量法在實際研究中應用較少。通過應力板直接測量床面剪應力的方法存在測量結果受水面波動引起正壓力變化對剪應力測量精確度的影響問題。目前,對于水流或波浪作用下床面剪應力和泥沙運動研究成果相對較為成熟,但尚未有效探明波流等復雜動力作用下床面剪應力量測與計算方法。由于作用于泥沙顆粒上剪應力量小、變化快以及水下量測環境惡劣等原因,至今缺少波流等復雜動力作用下床面剪應力的有效量測方法,這在一定程度上制約了泥沙運動理論研究的進一步發展。

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

1 熱敏式剪應力儀簡介

波流作用下床面剪應力通過將基于微納米技術的熱敏式剪應力儀器貼附在床面進行量測,如圖1所示,傳感器厚度約50μm,最大輸出頻率可達200 Hz以上,可快速響應捕捉波浪等高頻運動復雜動力條件下床面剪應力變化特征。熱敏剪應力儀工作原理是利用流體經過熱敏元件表面帶走熱量并轉換為熱敏元件輸出電壓信號變化進行工作的,分恒流法和恒溫法2種工作模式。本次試驗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定性從探頭、襯底加工工藝等方面進行了改進,而精度則通過提升加熱電流和探頭電阻達到改善效果。與以往量測方法相比較,熱敏剪應力儀具有響應頻率高、對水體干擾小、操作方便等優勢。針對波流作用下剪切應力量測范圍0～3Pa和量測精度5%等關鍵參數目標設置,通過不斷優化設計,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,通過傳感器的驅動電流保持不變,加熱功率P=UI=Q2～τn,最終得到熱平衡方程[9]為:

式中:τ為剪應力值;U為熱敏傳感器的輸出電壓值;參數A、B和n由標定試驗來確定。

為了得到標定所需輸入的標準剪應力值[10],可以通過建立扁薄矩形管道來實現。儀器標定原理是通過間距極小的2個平行平板及其側壁形成扁薄矩形通道,扁薄通道內全為純剪切流,通道槽寬10mm,設計槽高0.63mm。通過調節扁薄矩形通道流量可以獲得不同的標準剪應力輸入值。不同水溫下,剪應力和傳感器輸出電壓的關系曲線如圖3所示,可見同一水溫條件下,隨著剪應力的增大,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]。

當試驗水溫為11.6℃時,通過標定試驗率定得到剪應力標準公式(1)中參數A、B和n分別為7.8450、0.0875和-0.2950,擬合相關系數R約為0.85,剪應力校準公式可轉換寫為式(2)。

2 實驗設備及方案設計

波流作用下剪應力量測試驗在室內長直水槽內進行,試驗水槽長175m、寬1.2m、高1.6m,如圖4所示。水槽底床為水泥抹面、側壁為玻璃框架結構,水槽一端裝有造波機,另一端為消波裝置。造波系統可產生規則波和不規則波,規則波周期范圍為0.5～5s。造波機由伺服發生器驅動,通過油壓控制生波板水平往復運動,從而產生波浪。

水槽試驗儀器設備主要由控制系統和測量系統組成。其中,控制系統又由造波機、可逆變頻雙向泵和控制室組成,為試驗提供波流模擬環境;測量系統包括波高采集系統、小威龍聲學多普勒流速儀和溫度計等,分別對波高、流速和水溫等進行測量和采集。試驗波高測量采用CBY-Ⅱ型波高測量控制系統,可同步采集處理30點波高,測量精度達0.1mm;水下流速采用Nortek-I代小威龍三維流速儀測量,測量精度1mm/s,數據采集最高頻率25 Hz。

根據研究需要,波流作用下剪應力量測試驗水深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,試驗期間水溫約為11.6℃。波流試驗條件組合設置時,考慮到波流同向、波流異向條件下波流不同強度組合條件等。

3 剪應力量測計算研究

3.1 波浪作用下床面剪應力變化特性

波浪作用下熱敏剪應力儀輸出剪應力變化過程如圖5所示,熱敏剪應力儀輸出頻率為100Hz。由圖5可見,一個波周期內量測剪應力過程線有2個波峰和波谷,波峰表示波浪往復運動中床面剪應力最大值,波谷表示波浪往復運動轉換過程中床面剪應力最小值。波浪作用下電壓量測結果表明熱敏剪應力儀響應頻率高、穩定性好。

3.2 波流作用下床面剪應力變化特性

波流同向傳播條件下一個周期內微型熱敏傳感器輸出剪應力過程比較如圖6所示,由圖可見:(1)波流同向傳播時,波浪反向運動過程波流合成剪應力減小,而波浪正向運動過程波流剪應力增大;(2)正負剪應力時間轉換點發生變化,反向過程剪應力時間縮短,正向剪應力過程時間延長。

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

3.3 波流作用下床面最大剪應力計算研究

當波浪和水流方向一致時,Bijker[12]給出了1個波動周期內床面合成剪應力經典計算公式(3):

式中:u0為波動水質點底部水平分速;v為水流流速;系數ξ采用Swart[13]計算方法為謝才阻力系數。

研究表明,波浪對水流的影響主要表現在水面波動引起水深和流速的變化,而水流對波浪的影響主要表現在波高的變化。基于應力疊加基本原理,本文研究提出了波流合成剪應力修正計算方法:

式中:τ′c為考慮波浪對水流影響修正后的水流剪應力,謝才摩阻系數分別為考慮波浪對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刻實際水深進行計算,而修正垂線平均流速通過假定流量守恒條件下采用各時刻實際水深進行換算),n為糙率系數;τ′w為考慮水流對波浪影響修正后的波浪剪應力;u′w為考慮水流對波浪影響后的波高進行計算。

利用試驗測量資料對波流合成剪應力經典Bijker計算方法和本文修正方法進行了比較分析,如圖8所示?？梢?Bijker公式計算值總體有所偏大,而本文修正計算方法擬合結果相對更好。與經典Bijker公式計算結果相比較,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雜性,下階段仍需利用新型熱敏剪應力儀等設備深入研究波流不同夾角作用下剪應力問題。

4 結 論

由于波流作用下水下床面剪應力具有量值小、變化快、量測環境惡劣等原因,一直缺少有效的量測方法,一定程度上制約了泥沙運動理論研究的發展。本文利用基于微納米技術的新型熱敏切應力儀,通過室內波流長直水槽試驗量測研究了水下床面剪應力響應變化規律。主要結論如下:

(1)熱敏剪應力儀響應頻率高、穩定性強,較好地反映了波浪及波流作用下床面剪應力變化基本規律,儀器量測結果穩定可靠。

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

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

致謝:西北工業大學微/納米系統實驗室馬炳和教授的研究團隊為本文的實驗研究提供了MEMS柔性熱膜式剪應力傳感器和指導使用幫助,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: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.熱敏式剪應力儀在波流動力研究中的應用.實驗流體力學,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虎踞關34號河港樓416室(210024)。E-mail:xuh@nhri.cn