波浪要素与流场测量实验指导.docx

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波浪要素与流场测量实验指导

波浪要素与流场测量实验指导

波浪要素的测量

一、试验时间：

二、实验地点：

长沙理工大学水利实验中心实验大厅

三、实验人员：

四、实验仪器设备：

水槽、造波机、防波堤模型、浪高仪、数据采集仪、秒表、米尺、照相机。

五、实验要求：

1、了解认知风浪槽结构，如图一所示，实验风浪水槽为40m（长）X1m（高）X0.8m（宽），实际有效长度为37m。

图一实验布置图

2、了解掌握风浪槽各个结构作用及操作流程

造波机：

造波机在风浪的最前端，是制造波况的主要设备。

按照设计要求可以制造规则波、椭圆波、不规则波、破碎波、孤立波、聚焦波。

波况参数设置有：

周期、波高、水深等等参数。

操作流程：

严格按照造波机的开关机程序说明来执行。

效能网：

在离造波机最远的地方，作用是减少多次反射。

3、了解测量仪器和采集仪器，并熟悉数据测量和采集

浪高仪：

浪高仪为加拿大RichardBrankerResearch公司生产的WG—50型。

测量每个时刻波高的变化趋势：

波高和周期。

采集系统：

采集系统是武汉优泰软件有限公司生产的utelk采集系统T3232f以及北京东方振动和噪声研究所制造的INV306智能信号分析系统。

数据采集：

浪高仪根据生产厂商的率定，导线与电源盒需要一一的对应连接，并且检查信号通信质量。

浪高仪信号经过utelk采集系统转化为软件所能认识的信号，在电脑端进行采集。

utelk采集系统设定根据实验数据需要进行设定，主要设定参数有：

时间函数、通道标识、采集通道数、设备，描述、报警值、细化、频谱参数、分析频率、平均与谱线数、工程单位、校正因子、采集控制、频响函数、抗混滤波、程控放大、触发参数等等。

4、数据分析

熟练掌握实验所测电压值转化为工程值方法及步骤（浪高已经经过率定：

20mv电压值对应1mm水深工程值），提高对数据的真伪判别能力。

学会根据两点法分离计算入射波与反射波波高。

两点分离法的理论基础：

见附页。

为了简捷，选择吴宋仁教授主编的《海岸动力学》p51方法。

假设反射波是稳定，由于反射波具有和入射波相同的波长和周期，故在离模型x=n*L/2,n=0,1,2,3……,处出现最大波高Hmax=Hi+Hrf，在x=（2n-1）*L/4处出现最小波高：

Hmin=Hi-Hrf。

其中Hi为入射波，Hrf为反射波，反射系数为Krf=Hrf/Hi。

根据计算转化的工程值，图表及文字分析水力要素随波况变化的趋势，主要是反射系数随波高、波周期、波长、水深等要素的变化趋势。

5、上交实验报告及数据分析结果。

6、培养动手能力，提高对实验的兴趣。

六、实验内容

实验每个组实验选择两个水深，每个水深选择三个周期、三个波高进行实验。

实验波况选取：

实验水深选取设计水位450mm，设计高水位500mm，设计低水位400mm；波况周期为1s、1.2s、1.5s；波高选取为100mm，120mm，140mm。

波长试算公式为：

式中：

L——波长

——平均周期

g——重力加速度

d——水深

当d

时，

1.0，为深水波，其波长用L0表示。

波长计算如下表

波长（m）

周期水深

400mm

450mm

500mm

1.0s

1.46298

1.49151

1.51221

1.2s

1.93526

1.99682

2.04728

1.5s

2.61450

2.72640

2.82500

使用VDMS进行流场测量

运行✞DMS.♏⌧♏。

✧注：

此时轮廓和岛屿数据应该已经准备好，并按上述方法（4.1.V）输入到Contour.ini中，并把此文件放在VDMS.exe的当前目录下。

1实时图像的显示与调节

1.1实时图像的播放与停止

点击工具栏上的图像播放键（

），即可在当前摄像通道下实时显示图像。

点击工具栏上的图像停止播放键（

），即可停止对摄像信号的实时显示。

1.2实时图像的亮度、对比度和阈值

在实时图像显示的时候，点击工具栏左边的视频栏，（

）可切换摄像通道，以达到对各个摄像通道显示的图像进行调整。

工具栏的右边设有图像的亮度、对比度以及图像阈值键。

在要调整的摄像通道下，点击亮度、对比度以及图像阈值键，按增加键（键上为＋）或快速增加键（键上为×）以增加值，按减小键（键上为－）或快速减小键（键上为/）以减小值。

场地的光线变化会对系统实时采集的图像产生影响，故在采集工作中应根据光线变化及时调整图像。

亮度和对比度的调整将作用于各摄像通道所显示图像，而各摄像通道所显示图像阈值的调整是独立的。

阈值的调整应尽量清晰显示流场中的粒子。

2参数设置

参数设置包括图像采集、摄像输入设置和相关与插值参数。

2.1图像采集参数

在菜单中点击设置，再点击系统参数，在其对话框中点击图像采集。

系统对图像采样间隔（缺省值为0，图像连续采样；大于0时，按设置的数字跳帧采样）和图像采样帧数（缺省值为8，该参数太大则测量时间长，太小则测量精度降低，最小值为2）缺省值满足大部分测流情况，建议不作修改，除非流场特殊（流速极大或极小）并且用户准确了解该参数的含义。

小球颜色是指此次流场测量中示踪粒子的颜色。

采样方式是针对本公司的老款系统（最多控制6个摄像终端）同步性差的特点而设置的软件优化参数。

对于使用16（或8）个摄像终端的新款用户，视频采集卡和摄像终端的硬件同步性好，该优化功能不再起作用，因此不需要做任何设置。

本系统具备单路采样、多路采样和自动采样三种采样方式：

◆单路采样仅对当前摄像进行图像的采集和分析，因此对当前摄像的图像采集是按照设定的图像采样间隔和图像采样帧数连续采集一定数目的图像。

◆多路采样对系统中的所有摄像终端进行图像的采集和分析，它的图像采样间隔和图像采样帧数的设置同上。

◆自动采样是一系列定时的多路采样过程。

采样周期是自动采样时每两次采样的间隔时间；采样次数是自动采样时一次试验的总采样次数；流场文件名是自动采样时保存的流场文件名的前半部分，例如：

如果给定文件名为Velocity，则自动采样时第一次采样得到的流场文件为Velocity001.vmf，第二次的为Velocity002.vmf，…以此类推；如果给定文件名已经存在，为了防止文件意外丢失，系统会在保存文件时自动在给定的文件名前加上copy的字样，文件序列从001开始编码，所有的文件保存在当前目录下。

2.2摄像输入设置

根据摄像系统的实际情况，在系统参数对话框中点击视频输入设置，选择相应的视频信号，其中视频信号01不能撤消。

2.3相关与其他参数

在系统参数对话框中点击相关与其他参数。

在相关参数中，相关范围是相邻两帧图像进行粒子匹配时的搜索范围，缺省值是5。

如果流速较大，可以适当增加到8或10；一般情况下不能小于5。

在输出DXF文件参数中，为输出的图层定义一个图层名；定义一个标注图层名，选中该名称，在DXF文件中每个测点的流速将会出现在图中。

在输出流速矢量箭头中，长度和宽度决定了将输出的DXF图形文件中流速矢量箭头的大小。

可根据需要将流速矢量箭头调成空心或实心。

流速矢量箭头的显示长度可以在系统显示时调整。

比例尺里定义了位置坐标X和Y，以及比例尺的刻度大小和显示字号的大小。

自动过滤提供了自动删除边界以外的采样点及零值的功能，如用户希望手动过滤，可不选此项。

3对于局域网的参数设置

当系统中的计算机超过一台时，可通过局域网来进行各台计算机的同步采样。

系统中的每台计算机都可以选择作为服务器或者客户机来运行，在菜单中点击网络进行设置。

缺省值为客户机方式，选择连接…，在弹出的对话框中填写服务器的IP地址和端口号（使用缺省值即可），如图。

连接成功后，发送（客户机）菜单是从客户机向服务器发送测试消息，如果发送成功，在发送消息的客户机上会显示“Hello-clientsent!

”，在服务器上会显示“Fromclient–Hello”。

断开会断开同服务器的连接。

如果要作为服务器运行，选择服务器。

如果服务器建立成功，发送（服务器）菜单是从服务器向客户机发送测试消息，如果发送成功，在服务器上会显示“Hello-serversent!

”，在所有连接到该服务器上的客户机上会显示“Fromserver-Hello”。

当有客户机连接到该服务器时，客户机菜单项会显示所有连接到该服务器的客户机的IP地址。

关闭菜单项会断开服务器同所有客户机的连接并关闭同步采样的服务。

在图像显示状态，同步采样（或者按F8功能键）将使服务器和所有连接到该服务器上的客户机同时开始自动采样。

4编辑处理

4.1图像窗口

点击菜单中图像窗口键（

），系统显示当前视频通道下的图像，此时可对图像的亮度、对比度、阈值、采样方式等参数进行调整。

在该窗口下点击图像播放键（

），系统实时显示图像。

再点击采样键（

），系统将按所点击的采样方式（单路、多路或自动）完成采样，采样后自动转到采样窗口显示流场图像。

4.2采样窗口

在采样窗口下，或点击菜单中采样窗口键（

），可显示流场图像并对其进行修改和编辑。

采样窗口显示的是采样得到的流场数据文件。

通过调节工具栏上的增加键（键上为＋）或快速增加键（键上为×）以增加值，按减小键（键上为－）或快速减小键（键上为/），可以更直观的看到流场采样文件中矢量的大小。

显示状态分为三种：

点击适合尺寸键（

），它将流速数据的最大范围完全显示在窗口内；点击窗口尺寸键（

），它将整个流场完全显示在窗口内；点击原始尺寸键（

），即滚动窗口模式，滚动范围为整个系统的坐标范围。

系统还提供了放大窗口键（

）和缩小窗口键（

）的按钮，用于将窗口显示的坐标范围减小一半或者增大一倍。

系统还有两种不同的编辑状态：

点击普通模式键（

），在此模式下对整个流场的流速矢量进行错误流速矢量的删除；点击选择模式键（

），在此模式下通过移动和拉伸矩形框选择范围，对所选范围内所有流速矢量进行编辑和全屏显示。

在编辑过程中，还可以通过键盘上的光标移动键来上下左右移动显示窗口来浏览或修改流场。

点击移动模式键（

），在这种模式下，鼠标左键在窗口内点击后，点击处所在的位置将显示在窗口的中心，这样能够快速定位到当前关心的流场区域。

4.3编辑流速矢量数据

I.单点删除

单个错误流速矢量的人工删除方式是：

用鼠标左键点击要删除的流速矢量的起点（显示为矢量圈）一次，则该流速矢量变为绿色，表示其处于删除状态；在同一位置再同样点击一下，该流速矢量变为黑色，表示其已被恢复。

保存文件之后，删除操作才生效。

II.过滤删除

在菜单下点击编辑，选择过滤，它包括位置过滤、大小过滤、方向过滤。

位置过滤：

系统根据已知的流场外轮廓以及岛屿等静物参数，将伪流速矢量删除；

大小过滤：

系统根据工具栏编辑下设置栏目中的流速范围（最大流速和最小流速值），将大于最大流速和小于最小流速的流速矢量删除。

方向过滤：

它必须在选择模式下进行，系统根据工具栏编辑下设置栏目中的角度偏差，在所选矩形范围内，将与该范围平均流速方向的角度偏差超过设定值的流速矢量删除。

5矢量插值

错误删除完毕以后,得到的数据仍然是一些分布不规则的散点流速数据，为了使输出的流场图直观并且美观大方，可以对这些原始数据进行插值。

点击菜单中插值，它包括了四种插值方法：

选择断面、来自文件、网格计算和断面生成。

选择断面：

在编辑流场中按住鼠标左键不放并拉出一条断面线，放开鼠标后即得到该断面的流速分布，每条断面线上的点数根据用户的需要设置。

来自文件：

打开一个用户自己编写的插值文件进行流速插值，得到所关心的测点上的流速数据。

插值文件的后缀为“ipf”。

●示例：

×××××××××××××××××××

6

383861762563784

383870002563905

……

383851352560811

×××××××××××××××××××

注释：

本文件第1行为插值点的个数，以下各行则是各插值点的坐标值（x,y。

网格计算：

点击网格计算，在系统弹出的网格插值计算对话框中设置网格X与Y向间隔和整个网格的倾斜度，即与X向的偏差。

如图所示。

设置完成后按确定键，系统开始根据设置计算在流场轮廓内的网格插值流速。

但若插值点数过多会增加系统计算量，系统会提示计算量太大，这时可适当增加网格间距；但如果网格间距太大，则均化了整个流场，影响了流场的细部表达，还会影响输出图形的美观。

故网格间隔应模型的实际需要适当设置。

断面生成：

点击断面生成，系统需打开一个将要进行断面插值的文件进行流速插值，得到所关心的测点上的流速数据。

插值文件的后缀为“ipf”。

●示例：

×××××××××××××××××××

6

383861762563784383870002563905

383860542562189383867972562149

……

383843112560905383851352560811

×××××××××××××××××××

注释：

本文件第1行为断面的个数，以下各行则分别是各断面上两个端点的坐标（x,y，每条断面线上的点数根据需要设置。

✧注：

流场插值需要正确地设定插值影响半径。

在采集的粒子点较稀的情况下，影响半径需要设得大一些，以使插值影响范围内有足够多的已知流速矢量。

插值得到的流速数据在插值影响半径内已知数据点越多的情况下，越能反映出插值前的流速状况。

如果已知数据点较少，则插值结果的可信度就较低。

6自动批处理

VDMS系统不仅是高效的流场采集设备，同时在数据处理方面也有它的优势。

在菜单批处理里提供了三个高效功能：

全流场自动过滤、自动生成流速的时间变化过程以及断面自动过滤。

全流场自动过滤根据用户在菜单设置自动过滤参数对话框输入的参数，自动识别流场中噪声点。

自动参数设置对话框如下图所示，其中包括过滤半径的大小、流速的大小偏差以及流速的方向偏差，用户根据实际模型的流场状况，通过不断地尝试调节这三个参数的组合，找出适合当前流场状态的参数值，应用自动过滤功能将为后处理工作节省不少时间。

时间变化过程的功能主要是针对自动采样过程。

在自动采样模式下，系统根据用户设定的文件名和采样次数及间隔生成一系列的流场数据文件，尽管每个文件都有与之相对应的时间点，但对于关心某一个或几个固定点的流速时间变化过程的用户来说，从每个文件里提取信息显得过于繁琐。

应用此功能，用户首先需要提供感兴趣的点数和坐标，文件格式与插值文件的生成是一样的，输入生成的文件名，最后系统自动从给定的文件系列里提取用户关心的流速资料。

生成文件格式如下：

✧注：

应用此功能前用户需要检查系统参数设置里的文件名、采样次数及时间间隔是否正确，系统根据此参数提取信息。

断面自动过滤功能是结果用户断面插值的需要，以更快的方式删除采样的噪声。

用户提供给系统打算做断面插值的数据文件，文件格式与断面插值文件完全一致。

7系统输出测量结果

系统所有的结果文件都是文本格式的文件，可以使用任何文本编辑器打开编辑，也可以利用任何一门语言进行编程读取以进行用户自己的后处理操作。

系统可以输出DXF图形格式和TecPlot数据格式，方便用户在其他软件下调用。

打开文件输出文件，弹出文件输出对话框，用户选择想要输出的文件格式：

DXF图形文件或TecPlot数据格式。

如果用户选择的是DXF图形文件格式，则根据用户在系统参数里设定的参数生成DXF文件。

注意在生成文件之前，系统会提示先存流场数据文件，以防数据意外丢失，影响试验工作。

存DXF文件结束后，用户运行AutoCAD程序，打开相应的模型工程文件，进行该程序菜单中插入块操作，选择生成的DXF文件，然后关掉对话框上的屏幕取点，按确定键完成块插入。

系统自动生成两个图层，一个图层是流速场的矢量表达，另外一个是数值表达，即每个点的流速值都写在相应的位置上。

用户可以根据实际出图需要关闭或打开第二个图层，图层的名字是VelNotes。

如果用户选择输出的是TecPlot文件，意味着用户想输出能够生成AVI动态显示格式的数据。

那么首先需要确认的是在系统参数设定对话框自动采样选项里的文件名及采样周期和次数是否设置准确，并且所有的数据文件还应该在当前工作目录下。

如果参数设置准确，系统将生成TecPlot格式的数据文件，用户只要用TecPlot程序就可以生成AVI格式的动画文件了。

TecPlot程序的应用可以参考相应的手册和介绍，这里以TecPlot9.0为例简单地介绍如何应用已经做好的数据文件生成AVI动画。

运行TecPlot程序，打开FileLoadDataFile（s…，加载上面生成的数据文件。

进入TecPlot的绘图界面，点击左上角2D按钮，如图红圈所示，则进入二维图形设置状态。

去掉按钮下面的其他选择，只保留Vector项，如下图。

点击Vector项时系统会弹出选择对话框，设置矢量的U和V，因为数据文件中已经预先设置了这两个变量，用户只要选择相应的U和V就行了，如下图：

然后选择ToolsAnimateZones…，弹出动画设置对话框，点选Animate下拉框，选择toAVIFile，如下图：

点Animate按钮，进入AVI文件设置对话框。

设置AVI文件的必要参数，如图像的宽和高，以及动画速度，如上图。

最后，点OK按钮，程序提示输入AVI文件的存盘目录和文件名，就开始生成AVI文件了。

生成以后，可以用MicrosoftMediaPlayer或RealonePlayer等大部分视频播放软件回放。

8以图片方式保存图像

系统提供了一些基本的保存图像操作，点击菜单中图像，其中：

显示缓存图像使系统显示当前摄像通道的图像序列的第一帧图像；运用当前通道图像序列头、当前通道图像序列尾、下一帧和上一帧，使系统显示当前通道的图像序列中的所有图像；保存当前通道序列位图使当前通道的图像序列保存到某一系列的位图文件中去；保存所有通道序列位图则保存所有通道的图像序列到位图。

第一通道的图像序列为ch1_01.jpg，ch1_02.jpg，…，ch1_08.jpg（设采样帧数为8），第二通道的则为ch2_01.jpg，ch2_02.jpg，…，ch2_08.jpg，…以次类推。

存图像序列将当前通道的图像序列保存到一个用户输入的文件中，图像的格式为AVI，可以用Windows系统下的大部分媒体播放器来播放。

该功能优于常用的数码摄像机，因为本系统的摄像终端定位在高处，且与模型垂直，不仅录像效果好，而且定位准确。