連通管式位移測量系統(tǒng)液面液位振蕩研究.pdf

1、橋梁撓度測量是橋梁檢測的重要組成部分,是橋梁安全性評價的一項重要指標，與橋梁的承載能力及抵御地震等動荷載的能力有密切關系。因此,橋梁動、靜撓度測量方法的研究和相關儀器設備的開發(fā)研制對橋梁承載能力檢測和橋梁的防震減災有著重要意義。近年來，基于連通管原理的靜力水準儀在地面沉降、大壩變形監(jiān)測中已經(jīng)有實際工程應用，連通管式位移測量系統(tǒng)由于具有多測點同步檢測、精度高、適應范圍廣、受環(huán)境干擾小、性價比高等優(yōu)勢，近年來廣泛應用于大壩、橋梁等大型建筑結

2、構的變形監(jiān)測中。
　　連通管法的原理是在被測結構和基準點之間安裝連通管，將兩點間豎直方向上的相對位置變化（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，由測得的液位變化推算出被測結構相對于基準點豎直方向的位置變化。然而，連通管內(nèi)液面由于結構變形發(fā)生變化后，同時會出現(xiàn)液位振蕩現(xiàn)象，液位達到新的平衡狀態(tài)往往需要等待很長的時間，這對連通管式位移測量系統(tǒng)的精準性和適用性都會造成不利影響。
　　由于液位振蕩在測量系統(tǒng)中屬于干擾

3、信號，因此液位振蕩幅度越小、振蕩衰減時間越短越好，但目前關于液位振蕩現(xiàn)象的理論研究尚顯不足。本文通過數(shù)值求解流體動力學方程，采用液面跟蹤模型（VOF），對多通道連通管液位振蕩進行數(shù)值模擬，并對不同參數(shù)條件下的模擬結果進行定量分析；對初始振蕩信號（即初始液位差）正負、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，應用拉格朗日積分進一步對典型情形連通管內(nèi)液面液位振

4、蕩規(guī)律進行了理論分析；然后對典型情形進行拓展，再與基于VOF方法的數(shù)值模擬結果進行對比分析。得出以下主要結論：
　?、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理論進行分析，其數(shù)學描述為：y=y+Aexp(-δt)sin(ωt+θ)0d。通過數(shù)值模擬對液位振蕩波形進行FFT頻譜分析和應用單自由度阻尼自由振動理論進行波形擬合，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%，說明了該理論模

5、型的有效性。
　　②連通管內(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，隨液體動力學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；當連通管管徑小于0.06m時，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振蕩頻率無影響。
　?、芤何徽袷幍恼w衰減過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；當連通管管徑小于0.06m時，總體衰減時間隨管徑增加而增大，而繼續(xù)增大管徑，總體衰減時間基本不再變化；此外，隨連通管管徑比增加，總體衰減時間略有減?。浑S平衡位置高度增加，總體衰減時間略微增大；而改變初始液位差基本對總體衰減時間無影

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式基本描述，由此得到在不同管間距L條件下計算所得頻率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的相對誤差分別為0.33%～2.90%和0.92%～1.18%；但計算所得阻尼系數(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，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，從而產(chǎn)生局部能量消耗，構成阻力水頭損失的一部分。
　?、萃卣骨樾微瘢╠2=0.04m）亦可應用拉格朗日積分進行理論分析，按解析解計算所得頻率f’與FFT分析所得頻率f0的相對誤差小于0.01%，與擬合所得頻率f的相對誤差僅為0.35%左右；此時還可將該情形按雙連通管

9、道系統(tǒng)進行分析。
　?、尥卣骨樾微颍╪=4）仍可應用拉格朗日積分進行理論分析，按解析解計算所得頻率f'與FFT分析所得頻率0f的相對誤差僅為1.75%左右，與擬合所得頻率f的相對誤差僅為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；此時亦可將該情形按雙連通管道系統(tǒng)進行分析。
　　以上結論可以為減小和消除液位振蕩對測量系統(tǒng)的干擾提供參考依據(jù)，從而進一步優(yōu)化連通管式位移測