… Ｉ…Ｌ口 Ｃｈｉｎａ Ｅｃｌｕｃａｔｌ。ｎ—ＩｎｎｏｖａＬＩｏ—ｎ Ｈｅｒａｌｄ 电化教育研究 基于先进量测设备的弯道水流特性实验设计① 胡江 兰艳萍 陈阳 （重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室 重庆４０００７４） 摘要：建设了一套先进的弯道水流实验系统，包括高精度变坡弯道玻璃水槽，激光柱子成像流速仪（ＰＩＶ），超声水位计等，并根据各仪器 的特性，设计了一套弯道水流杼性的实验方法，并将其用于本科生的弯道水流特性教学实验，增强了学生对理论知识的理解，提升了学生 的实验创新水平。 关键词：变坡弯道玻璃水槽 水流特性 教学实验 中图分类号：Ｇ ６ ４１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ６７ ３－９７９５（２０１３）１ Ｏ（ａ）一０１ ４１—０１ 弯曲河道是最常见的河型之一，因其水 透弯道水槽（见图１）。水槽采用架空结构，矩 得水槽整个横向多个纵垂面的流场分布，将 流和泥沙运动规律复杂，河湾演变现象及其 形断面，底部以及两边侧壁均由高透光的 其按照水槽内的位置画出流场图，则重构了 机理一直是河流动力学及河床演变学重点 超白玻璃组成，断面宽４０ ｃｍ、高４０ ｃｍ。其 弯道水槽Ｘ、ｚ方向的形态。第二种是激光水 关注的对象，弯曲河道的水流及泥沙运动特 中，上游进口和下游出口直段长ｌ０ ｍ，中间 平从水槽侧壁进入、相机拍摄水槽水平截面 性也成为水利工程学科理论和实验教学的 采用半径为２ ｍ的Ｉ ８０度半圆弧平滑连接。 的流场分布，同样从水槽底部开始向水面逐 重要内容。近年来，不少针对该类问题的研 采用基于变频技术的控制系统供水， 个上移拍摄断面，可以获得沿水深的水平流 究被开展并取得了一些较好的成果【Ｉ’ 。但 可生成任意形状的流量过程；水槽沿程两 场分布，重构了ｘ、Ｙ方向的流态。 是，受测量手段的，弯道水流运动的学 侧安装了超声水位自动测量系统，可测量 待上述两种测量模式完成并处理好数 生教学实验效果则较差，且少有这方面的教 沿程横向和纵向的水位变化。 据以后，则可以根据给ｘ、Ｙ、Ｚ坐标重构测 改研究，远不如在流体力学实验教学方面的 流速测量采用清华大学水利系研制的高 量区域每个点的三维流速分布，进而重构 成果［４－６１。首先是教学实验采用的弯道水槽， 分辨率水流紊动结构测量系统（ＰＩＶ），可一次 形成弯道的三维流速场，弯道环流及流速 通常都是底部封闭坐落于地面，不易观察和 实现对水流内部剖面流场的测量，能充分反 大小的分布特征都能予以显示。（见图２（ｂ）） 测量，且水流的平稳性较差；而教学过程中 映和重构弯道的三维水流形态。（见图１） ２．２弯道水面比降的测量 学生使用的流速仪多为旋桨式的单点流速 采用沿程分布干左右岸的超声水位 仪，仅能测量平均流速，无法反映水流的三 ２实验设计 计，分别测量弯道凸岸和凹岸的水位变化， 维运动形态，要测量弯道内部的环流结构更 ２．１弯道环流及三维流场的测量 给出水位变化规律并计算沿程纵比降的变 不可能。因此，以往的这类实验更多仅是让 ＰＩＶ是利用高频相机拍摄激光照亮了的 化。再利用每个横断面的两个超声水位计 学生能动手参与，对学生强化理论知识的认 流体内部示踪粒子运动轨迹来反映流速场 测量横断面的水位，可计算获得弯道横比 识和提高学生的创新能力效果较差。 的先进量测仪器。根据ＰＩＶ的测量原理，为充 降的分布规律及横比降的沿程变化规律。 本文建设了一套高精度的架空变坡玻 分反映弯道水流的三维形态，教学实验设计 璃弯道水槽，并引入了先进的激光粒子流场 两种测量模式相结合。一种是激光垂直照 ３结论 测量仪和超声水位计，设计了一套弯道水流 射、相机拍摄水槽垂面流场的方式（见图２ 弯道水流特性实验课程的教学一直较为 特性的教学实验，能增强学生对理论知识的 （ａ））。在这种模式下，激光从水槽底部垂直向 困难。笔者在教学实践中进行了实验设备和教 理解，大幅提升学生的实验创新水平。 上射入水槽，照亮水槽的纵垂面，照相机拍 学实验内容及方法的改革，通过该实验能够激 摄纵垂面，可以获得一个纵垂面的流场；如 发学生的求知探索欲望，因而本次实验教改符 １实验仪器介绍 果保持相机位置不动，沿水槽横断面方向（Ｙ 合国家培养创新性人才的要求。文章提出其中 弯道水槽为高精度可变坡的Ｕ型全通 方向）移动激光照射位置并拍摄，则可以获 主要的内容，共同行参考，希望共同努力，促进 该门学科的实验教学及研究的进步。 参考文献 ， ［１］白玉川，冀自青，徐海珏．窄深型河湾多 尺度紊流拟序结构动力稳定与自适应 特征研究ｆ Ｊ］．中国科学：技术科学， ２０１２，４２（１ １）：ｌ２６４－１２７３． ［２］万强，江恩惠，忠．河湾平面形态及 图１ 高精度可变坡弯道玻璃水槽 河湾流路方程研究综述【Ｊ１．人民黄河， ２００９（１２）：ｌ２７－１２９． ［３】许栋，刘召平，乾爱国，等．弯曲河道中 水流运动的三维数值模拟【Ｊ】，水利学 报，２Ｏｌ０，４１（１２）：ｌ４２３～１４３１． 【４】高迅，陈春光．流体力学结合性设计性 实验教学改革实践【Ｊ】．实验科学与技 术，２００５（１）：５５—５７． ［５］祝会兵，戴文琰，李建．【：程流体力学实 验教学的改革与创新【Ｊ】．宁波大学学 报：教育科学版，２００８，３０（２）：１０７—１０９． ［６】束秀梅，李华南，罗媛媛．流体力学实验 教学改革与实践【Ｊ】．实验室研究与探 索，２０ｌ１，３０（７）：３１０—３ｌ２． 图２（ａ）ＰｆＶ垂直拍摄模式 图２（ｂ）ＰＩＶ水平拍摄模式 ①基金项目：重庆市教委基金项目（ＫＪ１００４０１）和重庆交通大学实验教改基金项目（ｓｙｊ２０１ｌ０３）支助。 作者简介：胡江（１ ９７７一），博士，副教授，主要从事水力学及河流动力学的科研和教学工作。 中国科教创新导刊 Ｃｈｉｎａ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ
