作业帮工科论文：ＡＤＣＰ在水文流量测验中的应用研究[1]
来源：学生作业帮助网 编辑：作业帮 时间：2024/04/30 15:20:47 工学论文
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工科论文：ＡＤＣＰ在水文流量测验中的应用研究[1]工学论文
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摘 要：介绍ADCP基本原理及流量计算方法，通过ADCP与管道流量计同步测流进行对比，并与常规方法进行测深、测速比测试验，分析比测资料，进行参数修正，提高该仪器测验精度，以达到正式投入应用的目的。
关键词：ADCP；流量测验；测深；测速；比测试验
1 ADCP基本原理及流量计算
1．1 基本原理
ADCP实际上应是一个包括：（1）ADCP换能器（4个探头）；（2）操作软件系统；（3）计算机及连接设备等3个主要部分组成。利用声学原理，ADCP向水体发射一个（一对或一组）声脉冲，这些声脉冲碰到水体中悬浮的且随水体运动的微粒后产生反射波，并记录发射波与反射波之间的频率改变，这个频率改变即称多普勒频移，可据此计算出水流相对于ADCP的速度。同时，还向河底发射底跟踪声脉冲，测出ADCP安装平台（测船）的运动速度以及水深，然后将水流相对速度扣除船速得到水流的绝对速度。
按多普勒频移方程：
Fd＝2 F V／C（1）
式中：Fd——多普勒频移；
F——发射频率；
C——超声波在水体中的传播速度，与温度、含盐度有关；
V——水流的运动速度。
从公式可知，发射频率F为已知，只要测定声速C和频移Fd，即可求出水流速度。
DR0300型ADCP主要技术指数如下：
工作频率：307．2 kHz；
换能器发射角：20°；
测速范围：±0．01～±10 m／s（水平方向）；
速度分辨率：0．25 cm／s；
测深范围：8．0～130 m。
1．2 流量计算
ADCP基于如下的公式计算流量：
QADCP=su•ξds（3）
式中：QADCP——流量；
S——河流某断面部分面积；
u——河流断面某点处流速矢量；
ξ——作业船航迹上的单位法线矢量；
ds——河流断面上面积微元，由下式确定：
ds=|Vb|•dz•dt（4）
式中：dz——垂向长度微元，z自河底起算；
dt——时间微元；
Vb——船速矢量；
｜Vb｜——作业船速度（沿航迹）。
将沿航迹的断面离散为m个微小断面，则公式（3）可以写为：
QADCP=∫T0∫Ｈ0u•dz•ξ|Vb|•dt=∫Ta∫Ｈ0cu×Vb•k•dzdt=∑mi=1［（V×Vb）•k］•HiΔt（5）
式中：T——航行时间（跨断面）；
Hi——在i测量微小断面处的水深；
m——断面内总的微小断面数目；
Δt——相应于测量微小断面的平均时间；
k——垂向单位矢量；
V——相应于测量微小断面的垂线平均流速矢量。
V=1H∫H0u•dz（6）
因存在上、下盲区，垂线平均流速的计算分为中层、表层和底层3部分。
1．2．1 中层流速
中层平均流速由系统直接测出，其值为第一个垂向单元至靠近河底单元（未受到河底干扰）所有单元所测流速之平均：
VXM=1n∑ni=1Uxj(7)
式中：Uxj——单元j中所测的x向流速分量；
n——微断面中有效单元的数目。
1．2．2 表层流速
由于ADCP换能器必须浸入水中一定深度，系统不能直接测出这部分水流速，形成表层盲区，一般采用指数流速分布公式来推求：
UU•=9.5×ZZ0b（8）
式中：U——高度Z处的流速；
U•——河底剪切流速；
Z0——河底粗糙高度；
b——经验常数，通常取16。
公式（8）整理后，令ax=9.5U•/Zb0，则对x向量流速分量：
Ux=axZb（9）
设Z1为河底至靠近河底单元（未受河底干扰）的高度，Z2为河底至第一个单元的高度，垂向单元长度为Dc，则在中层进行积分可得到中层平均流速：
1．2．3 底层流速
由于河底对声束的干扰，在河底存在一干扰区（底盲区），其流速数据不能使用。工学论文
摘 要：介绍ADCP基本原理及流量计算方法，通过ADCP与管道流量计同步测流进行对比，并与常规方法进行测深、测速比测试验，分析比测资料，进行参数修正，提高该仪器测验精度，以达到正式投入应用的目的。
关键词：ADCP；流量测验；测深；测速；比测试验
1 ADCP基本原理及流量计算
1．1 基本原理
ADCP实际上应是一个包括：（1）ADCP换能器（4个探头）；（2）操作软件系统；（3）计算机及连接设备等3个主要部分组成。利用声学原理，ADCP向水体发射一个（一对或一组）声脉冲，这些声脉冲碰到水体中悬浮的且随水体运动的微粒后产生反射波，并记录发射波与反射波之间的频率改变，这个频率改变即称多普勒频移，可据此计算出水流相对于ADCP的速度。同时，还向河底发射底跟踪声脉冲，测出ADCP安装平台（测船）的运动速度以及水深，然后将水流相对速度扣除船速得到水流的绝对速度。
按多普勒频移方程：
Fd＝2 F V／C（1）
式中：Fd——多普勒频移；
F——发射频率；
C——超声波在水体中的传播速度，与温度、含盐度有关；
V——水流的运动速度。
从公式可知，发射频率F为已知，只要测定声速C和频移Fd，即可求出水流速度。
DR0300型ADCP主要技术指数如下：
工作频率：307．2 kHz；
换能器发射角：20°；
测速范围：±0．01～±10 m／s（水平方向）；
速度分辨率：0．25 cm／s；
测深范围：8．0～130 m。
1．2 流量计算
ADCP基于如下的公式计算流量：
QADCP=su•ξds（3）
式中：QADCP——流量；
S——河流某断面部分面积；
u——河流断面某点处流速矢量；
ξ——作业船航迹上的单位法线矢量；
ds——河流断面上面积微元，由下式确定：
ds=|Vb|•dz•dt（4）
式中：dz——垂向长度微元，z自河底起算；
dt——时间微元；
Vb——船速矢量；
｜Vb｜——作业船速度（沿航迹）。
将沿航迹的断面离散为m个微小断面，则公式（3）可以写为：
QADCP=∫T0∫Ｈ0u•dz•ξ|Vb|•dt=∫Ta∫Ｈ0cu×Vb•k•dzdt=∑mi=1［（V×Vb）•k］•HiΔt（5）
式中：T——航行时间（跨断面）；
Hi——在i测量微小断面处的水深；
m——断面内总的微小断面数目；
Δt——相应于测量微小断面的平均时间；
k——垂向单位矢量；
V——相应于测量微小断面的垂线平均流速矢量。
V=1H∫H0u•dz（6）
因存在上、下盲区，垂线平均流速的计算分为中层、表层和底层3部分。
1．2．1 中层流速
中层平均流速由系统直接测出，其值为第一个垂向单元至靠近河底单元（未受到河底干扰）所有单元所测流速之平均：
VXM=1n∑ni=1Uxj(7)
式中：Uxj——单元j中所测的x向流速分量；
n——微断面中有效单元的数目。
1．2．2 表层流速
由于ADCP换能器必须浸入水中一定深度，系统不能直接测出这部分水流速，形成表层盲区，一般采用指数流速分布公式来推求：
UU•=9.5×ZZ0b（8）
式中：U——高度Z处的流速；
U•——河底剪切流速；
Z0——河底粗糙高度；
b——经验常数，通常取16。
公式（8）整理后，令ax=9.5U•/Zb0，则对x向量流速分量：
Ux=axZb（9）
设Z1为河底至靠近河底单元（未受河底干扰）的高度，Z2为河底至第一个单元的高度，垂向单元长度为Dc，则在中层进行积分可得到中层平均流速：
1．2．3 底层流速
由于河底对声束的干扰，在河底存在一干扰区（底盲区），其流速数据不能使用。工学论文