連通管式位移測(cè)量系統(tǒng)液面液位振蕩研究.pdf

1、橋梁撓度測(cè)量是橋梁檢測(cè)的重要組成部分,是橋梁安全性評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，與橋梁的承載能力及抵御地震等動(dòng)荷載的能力有密切關(guān)系。因此,橋梁動(dòng)、靜撓度測(cè)量方法的研究和相關(guān)儀器設(shè)備的開(kāi)發(fā)研制對(duì)橋梁承載能力檢測(cè)和橋梁的防震減災(zāi)有著重要意義。近年來(lái)，基于連通管原理的靜力水準(zhǔn)儀在地面沉降、大壩變形監(jiān)測(cè)中已經(jīng)有實(shí)際工程應(yīng)用，連通管式位移測(cè)量系統(tǒng)由于具有多測(cè)點(diǎn)同步檢測(cè)、精度高、適應(yīng)范圍廣、受環(huán)境干擾小、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于大壩、橋梁等大型建筑結(jié)

2、構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)中。
　　連通管法的原理是在被測(cè)結(jié)構(gòu)和基準(zhǔn)點(diǎn)之間安裝連通管，將兩點(diǎn)間豎直方向上的相對(duì)位置變化（即撓度）轉(zhuǎn)換成連通管內(nèi)液位的變化，根據(jù)連通管基本原理，由測(cè)得的液位變化推算出被測(cè)結(jié)構(gòu)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)豎直方向的位置變化。然而，連通管內(nèi)液面由于結(jié)構(gòu)變形發(fā)生變化后，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)液位振蕩現(xiàn)象，液位達(dá)到新的平衡狀態(tài)往往需要等待很長(zhǎng)的時(shí)間，這對(duì)連通管式位移測(cè)量系統(tǒng)的精準(zhǔn)性和適用性都會(huì)造成不利影響。
　　由于液位振蕩在測(cè)量系統(tǒng)中屬于干擾

3、信號(hào)，因此液位振蕩幅度越小、振蕩衰減時(shí)間越短越好，但目前關(guān)于液位振蕩現(xiàn)象的理論研究尚顯不足。本文通過(guò)數(shù)值求解流體動(dòng)力學(xué)方程，采用液面跟蹤模型（VOF），對(duì)多通道連通管液位振蕩進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)不同參數(shù)條件下的模擬結(jié)果進(jìn)行定量分析；對(duì)初始振蕩信號(hào)（即初始液位差）正負(fù)、液體粘性、連通管管徑、管徑比、管間距、平衡位置高度和初始液位差大小等因素對(duì)連通管內(nèi)液面液位振蕩規(guī)律的影響作了定量分析；此外，應(yīng)用拉格朗日積分進(jìn)一步對(duì)典型情形連通管內(nèi)液面液位振

4、蕩規(guī)律進(jìn)行了理論分析；然后對(duì)典型情形進(jìn)行拓展，再與基于VOF方法的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。得出以下主要結(jié)論：
　?、俚湫颓樾蜗氯B通管內(nèi)液面液位振蕩波形可以按照單自由度阻尼自由振動(dòng)理論進(jìn)行分析，其數(shù)學(xué)描述為：y=y+Aexp(-δt)sin(ωt+θ)0d。通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)液位振蕩波形進(jìn)行FFT頻譜分析和應(yīng)用單自由度阻尼自由振動(dòng)理論進(jìn)行波形擬合，發(fā)現(xiàn)擬合所得頻率和FFT分析所得頻率的誤差范圍為0.59％-3.23%，說(shuō)明了該理論模

5、型的有效性。
　?、谶B通管內(nèi)液面液位振蕩的阻尼系數(shù)受液體粘性、連通管管徑比、管間距和初始液位差大小影響比較明顯，隨液體動(dòng)力學(xué)粘度和管間距增大而減小，隨連通管管徑比和初始液位差增大而增大；當(dāng)連通管管徑小于0.06m時(shí)，阻尼系數(shù)隨管徑增大而減小，而繼續(xù)增大管徑，阻尼系數(shù)基本不再變化；此外，平衡位置高度增加，阻尼系數(shù)也稍稍增大。
　?、垡何徽袷幍念l率受連通管管徑比和管間距影響比較明顯，隨連通管管徑比增大而增大，隨管間距增大而減??；

6、隨平衡位置高度增加，振蕩頻率略有減?。黄渌T如液體粘性、管徑和初始液位差等因素基本對(duì)振蕩頻率無(wú)影響。
　?、芤何徽袷幍恼w衰減過(guò)程受液體粘性和管間距影響比較明顯，隨液體粘性增加而減小，隨管間距增加而增大；當(dāng)連通管管徑小于0.06m時(shí)，總體衰減時(shí)間隨管徑增加而增大，而繼續(xù)增大管徑，總體衰減時(shí)間基本不再變化；此外，隨連通管管徑比增加，總體衰減時(shí)間略有減?。浑S平衡位置高度增加，總體衰減時(shí)間略微增大；而改變初始液位差基本對(duì)總體衰減時(shí)間無(wú)影

7、響。
　?、莸湫颓樾芜B通管管內(nèi)液面液位振蕩規(guī)律可由拉格朗日積分得到的解析表達(dá)式基本描述，由此得到在不同管間距L條件下計(jì)算所得頻率f'同F(xiàn)FT分析所得頻率0f和擬合所得頻率f的相對(duì)誤差分別為0.04%～6.09%和0.58%～2.79%；在不同平衡位置高度h條件下計(jì)算所得頻率f'同F(xiàn)FT分析所得頻率0f和擬合所得頻率f的相對(duì)誤差分別為0.33%～2.90%和0.92%～1.18%；但計(jì)算所得阻尼系數(shù)'?與數(shù)值模擬所得阻尼系數(shù)?存在較

8、大偏差，且偏差隨管間距增加而減小，說(shuō)明沿程水頭損失并不是主要的阻尼因素，隨管間距增加，沿程水頭損失影響增大；同時(shí)，各管角部速度矢量圖顯示，在各管角部存在明顯的渦旋流動(dòng)，從而產(chǎn)生局部能量消耗，構(gòu)成阻力水頭損失的一部分。
　　⑤拓展情形Ⅰ（d2=0.04m）亦可應(yīng)用拉格朗日積分進(jìn)行理論分析，按解析解計(jì)算所得頻率f’與FFT分析所得頻率f0的相對(duì)誤差小于0.01%，與擬合所得頻率f的相對(duì)誤差僅為0.35%左右；此時(shí)還可將該情形按雙連通管

9、道系統(tǒng)進(jìn)行分析。
　?、尥卣骨樾微颍╪=4）仍可應(yīng)用拉格朗日積分進(jìn)行理論分析，按解析解計(jì)算所得頻率f'與FFT分析所得頻率0f的相對(duì)誤差僅為1.75%左右，與擬合所得頻率f的相對(duì)誤差僅為1.28%左右；改變中心管間距23L，并不影響典型情形拓展Ⅱ（n=4）連通管內(nèi)各液面液位振蕩的頻率特征；此時(shí)亦可將該情形按雙連通管道系統(tǒng)進(jìn)行分析。
　　以上結(jié)論可以為減小和消除液位振蕩對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的干擾提供參考依據(jù)，從而進(jìn)一步優(yōu)化連通管式位移測(cè)