文摘

瞬时水面概要文件的形状的非定常流隧道模型可以由测量瞬时水位在多个点同步。然而,超声法的测量精度影响很大,因为复杂的水面,当水位变化迅速。使用光学方法,摄像机实现同步测量很难控制,成本很高。单摄像机测量、阅读钢统治者的形象不能清楚地看到当测量点之间的距离和单相机远。当距离很短,全钢统治者同时无法捕捉到的。因此,在本文中,一个照相机和固定规模报酬瞬时水位观测的方法提出了非定常流。一系列的固定尺度上放置相同的高度和宽度测量在水面附近。为了捕捉所有固定尺度的动态图像清晰的水面,一个相机设置在一个远的位置,不断记录范围内的水位变化过程模型。根据固定规模的高度,图像精度补偿和广角图像失真的影响自动避免。获得水位高程根据固定规模和水面之间的关系。 In this paper, the unsteady flow model measuring test is applied to the Southern Main Tunnel and the Water Distribution Pool of the Huangchigou Water Diversion Project. The accuracy of this method in measuring the dynamic water level is 1–2 mm, which meets the accuracy requirement and greatly reduces the observation cost of the model test. The proposed method may also be suitable for measuring the instantaneous water level of the unsteady flow in other similar hydraulic model tests.

1。介绍

非定常流的瞬时水表面轮廓反映水流状态的水容量液压结构,它是一个重要的依据确定的结构尺寸和操作模式控制门。在隧道模型试验中,瞬时水表面轮廓需要确定多点同时水位。目前的主要方法测量非定常流表面概要文件包括跟踪水位计法,超声波法、光学法。

张,崔1]分析了水位测量仪的结构和原理在长江防洪模型。水位仪,抵抗是用作测量电桥的一个部门,但它不可能摆脱桥的输出漂移引起的水温和水质的变化。由于惯性转动部分的仪器不能完全消除,它仍然是无法跟踪的情况下水位变化迅速。当多个水位米采用同时工作,很难实现同步,成本是非常高的。

瞿et al。2)验证仪器的可靠性通过安装超声波水位计在庄子站。经过4个月的比较观察,水位观测的仪器能满足要求,但温度传感器有很大的影响。

Khuntia et al。3]研究了湍流特征在一个粗糙明渠非恒定流条件下,和三分指标游标尺从不同位置固定测量流深度沿中心线的水槽。胡锦涛et al。(4),刘等人。5),和歌曲和伯爵6)进行了室内实验非定常流波传播特征、沉积物运输能力,流速,漩涡通道模型。作者使用了超声波水位计测量水位,和相应的成本很高。贾利利Ghazizadeh et al。7)研究水面概要文件的特点在矩形侧堰超临界流。水面资料测定在不同部分的纵向和横向方向主要通道旁边侧堰使用压强计和一个可移动的点测量0.1毫米的准确性。

光学测量方法测量水位用相机捕捉水位表读取图像。该方法具有非接触测量、温度漂移、可追踪的结果,和低系统成本。

钟(8)提出了一种方法使用一个摄像头捕获视频包含一个水位表和拦截水位实时图像的视频。灰度转换后,中值滤波,边缘检测,图像包含刻度校准。根据水位表读数识别,水位在随后的计算过程。水位的计算方法的结果,相对于手动直读的水位表,有一个0.6厘米的准确性。此法适用于水位远程测量在湖泊、水库、涵洞。阮et al。9)提出了一个测量潮汐水位观测方法通过合作与人造noncalibration水位表与一个标准的尺子,它可以测量动态水位在一个固定的点。在这种方法中,图像中的像素高度是由使用统治者。水位得到比例根据距离的基线noncalibration水面水位表,也就是说,像素的数量。这个方法是小说的想法。

针对大规模水的水位运行控制方式传输通道开放,崔et al。10]研究了恒定水位运行控制模式前的盖茨在大规模的水传输明渠主干运河南水北调中线工程的在中国。方等。11]研究了水位变化lawcaused流变化的水出口主要运河中间传输通道的南水北调工程。李等人。12]了运河段中间水传输通道的南水北调项目作为一个典型的例子,研究了明渠输水系统的水力特性的控制下。Litrico和Fromion13),包蒂斯塔和Clemmens14],Clemmens et al。15)使用前馈控制和存储的方法补偿模拟灌溉渠道的操作调度。在上面的研究中,采用数值模拟方法,在对比,多点水位测量中的非定常流明渠水力模型具有重要参考价值的合理性和客观性测试非定常流水位模拟结果。

因此,在本文中,考虑多点同步测量和图像分辨率的非定常流的水位瞬时水位,基于一个摄像头和一个观测方法提出了固定规模报酬。方法将被应用到明渠水位测量在南部Hanjiang-to-Weihe流域调水工程的主要通道。瞬时水位在多个点的配水池和南方主要隧道测量流入从秦岭隧道时0.0173米³/ s,南部主要的入口门隧道是迅速打开或关闭。通过测量和研究,瞬时水面的配水池中得到了非定常流和南方主要隧道在任何时间。此外,该方法的测量精度和可行性与测量结果进行了比较,验证了用钢直尺单个镜头和特写镜头。

2。工程背景和问题

2.1。工程背景

Hanjiang-to-Weihe山谷引水工程是一个从长江引水项目黄河水系,这是一个cross-basin水在陕西省转移项目,中国。它由两个主要部分:调水项目(第一阶段)和水传输和分配项目(第二阶段)。

Huangchigou配水工程,作为连接的中心转移项目和水传输和分配项目,核心配水结构。它在安全中起着决定性的作用,快速水分布在整个项目。

根据需水的线性分布对象的特点,两个主要供水路线安排。南方主要路线是一个开放的通道流隧道。南方主要隧道模型的部分有一个马蹄形状与尺寸0.398米×0.239米。如何衡量模型的瞬时水位隧道成为一个关键问题。

基于液压Huangchigou供水系统项目的物理模型,考虑入口门的突然上升和下降在南部主要隧道由于各种操作条件下,它将导致显著改变配水池的水位和南方主要隧道模型。因此,有必要进行实时观察配水池中的水位和南方主要隧道模型。

2.2。瞬时水位的测量问题在多个点用一个相机

图1显示了原始方案测量瞬时水位南部主要的隧道模型与一个相机。

为了获得每个测点的瞬时水位池配水和南部主要的隧道,支起了一个钢铁统治者配水的游泳池,和几个钢统治者竖立在多个测点在南部主要的隧道。因为南方主要的模型隧道长(约20米),以显示所有测量分在一个相机,它是必要的,以确保相机和模型有足够的距离。在这种情况下,由于相机离水面测量,图像中每个钢统治者的阅读不能清楚的看到,导致难以实现这个测量方案。

2.3。原理,使用单摄像机测量瞬时水位和固定规模的补偿方法

为了克服单一摄像头太远的问题从测量和图像中每个钢统治者的阅读不能清楚的看到,自然,摄像机和多点测量方法可以考虑。就是相机设置在每个钢统治者。所有收集到的图像从视频中提取帧使用相机和保存,和每个测点的瞬时水位同时获得根据提取的图像。然而,这种方法需要多个摄像头,其同步与高成本难以控制。

为了解决这个问题,考虑到水面聚甲基丙烯酸甲酯中的概要信息模型在一定的距离内清晰可见,非定常流的瞬时水位观测方法的基础上,提出了单摄像机和固定规模报酬。首先,我们建立多个noncalibration固定尺度相同的高度来衡量每一点。第二,水表面轮廓是拍照。第三,瞬时水位计算根据水表面轮廓之间的相对位置关系和底部边缘固定规模的截获图像。固定规模起着至关重要的作用在补偿图像精度和自动避免广角图像失真所造成的影响。

3所示。测试程序

3.1。安装固定尺度和照相设备

固定尺度的规格统一为一个红色的聚甲基丙烯酸甲酯板高度为60.0厘米,宽5.0厘米。顺序尺度都是设定在测量位置的数字图像中清晰可见。相邻固定尺度模型之间的距离约为0.80 m。

我们使用佳能5 diii专业数码相机+佳能35毫米f / 2.8镜头作为单个相机进行全景摄影在测试过程。图2显示了单摄像机之间的关系和固定的位置。广角模式相机可以捕捉2 - 14固定尺度的近距离照片,和长焦相机模式可以捕捉上皮固定尺度的照片在很长一段距离。采用广角模式测量方案。

为了检验该方法的测量精度,一套钢统治者在12号固定,如图3。另一个佳能EOS70D + efs18 - 200毫米相机成立以特写的照片钢统治者,附近的水表面轮廓和瞬时水位测量两种方法的结果进行了比较。

3.2。校准的相对高程的底部固定的规模

当安装每个固定的规模,我们使用挂锤方法来确保固定规模的垂直度。由于规模相对高程的底部是未知的,需要校准。当秦岭隧道的出口门和南部主要的入口门隧道模型的完全打开,水在流动状态。秦岭隧道出口门关闭和SouthernMain隧道模型的,配水池和南方主要Tunnelmodel达到静态水条件。针是用于读取静态水面相对高程池配水和静态水位和H0表示。单相机固定规模测量方法被用来拍照固定尺度在静水条件下,如图4所示。高度H_固定规模每个固定的规模和高度h_固定规模水表面和底部之间的固定比例图像测量使用CAD软件。实际距离H_水从水面的底部固定的规模可以根据公式计算(1)。的相对高程thebottom每个固定的规模可以通过H0-Hwater。

的相对高程可以通过H0-Hruler thesteel统治者底部。Hruler是钢直尺测量深度fromwater表面,也可以通过阅读获得钢统治者规模。这样,12号固定规模的瞬时水位测点可以获得由单摄像机和固定规模测量方法或可以从捕获的图像读取使用的相机近距离与钢统治者,以验证该方法的准确性。

底部边缘的校准结果的相对高程固定规模如表所示1几何模型的规模,1:15。应该注意的是,的相对高程的水位和底部边缘固定规模采用的相对高程原型,采用模型参数和其他参数。这使得读者更容易理解设计原型的特征参数。

3.3。瞬时水位的测量过程

当南方主要隧道模型的入口门突然关闭或打开,一个非定常流的过程将发生在配水池和南方主要隧道模型。水面的瞬时波动大,影响范围广。因此,水面变化过程只能记录下一个视频。

一系列的照片水位在多个测试点固定尺度视频中被拦截在0.5秒的时间间隔。从每个测点的水面高度的底部边缘固定规模在不同时间读出反过来使用CAD软件,和水位在每个测点的相对高程由H0-Hwater获得。同时,相对高程点的配水池中的水位每个测点在南部主要隧道模型依次相连形成了瞬时水表面轮廓。

通过重复上述步骤,整个变化过程可以获得非定常流表面的概要文件。

4所示。应用研究测量瞬时水位非定常流使用单摄像机和固定规模的补偿方法

4.1。定性分析的瞬时水位池配水和南方主要隧道模型

考虑到秦岭隧道模型的流入0.0173³/ s,南部主要的入口门隧道模型最初都是关闭的。门突然打开当配水池的水位上升到664.88米,和变化过程的瞬时水位池配水和南方主要隧道模型进行了分析。典型的瞬时水面使用广角相机从视频照片如图5。

图5(一个)显示的图片配水的水流状态池和南方主要隧道模型在2.0秒打开入口门。配水池的水面是平静的水位664.88米。图5 (b)显示了一个全景在1.0秒后打开入口门突然南部主要的隧道模型。配水池的水面接近入口门明显下降,水面波动明显。后面有一个明渠流门南部主要的隧道模型,波动较大,水的前峰波到达第八名。固定的规模。图5 (c)显示了一个全景视图在3.0秒后打开入口门。配水池的水位波动明显。水位接近入口门有一个更大的减少和更大的波动。水来达到11∼12号固定规模在南部主要隧道模型。水位接近波额头变得越来越低。图5 (d)显示了一个全景在204.0秒后打开入口门。水位的分销中心有一个更大的下降,和南部主要隧道模型具有相同的水平配水池,当水到达恒流状态。

4.2。定量分析的瞬时水位池配水和南方主要隧道模型

使用单摄像机和固定比例补偿法测量不同位置的瞬时水位模型,配水池中的水位和南方主要隧道模型得到。瞬时水位在没有解决。3、7、8、10、14,分别如图6。可以看出,水分配池的水位继续下降,和每个测点的水位在南部主要隧道模型从上游到下游的顺序,逐步增加9.5秒后稳定。

瞬时水面概要文件在不同的时间如图7。可以看出,配水池的水位664.88米之前打开入口门,没有水在南部主要隧道模型。在0.5秒后打开入口大门,前面的水波在南部主要隧道模型规模到达6号,和上游和下游的水位区别很大。在1.5秒后打开入口大门,11号前到达的水,和水位变化4日和8日尺度之间的相对较少,而在下游水位迅速下降。在3.5秒后打开入口大门,水流到第十四规模。在9.5秒后打开入口大门,水位在南部主要隧道模型是接近最高的。

4.3。图像失真分析

在使用广角相机获得的全景图像,每个固定规模的测量高度图所示8。可以看出,固定尺度相同高度显然有不同高度的全景图像由于影响相机视图字段。最大高度的比值最小高度是1.599。全景图像失真显示中间固定规模较小,双方比较大。因此,高度测量图像中直接需要纠正,并设置一个固定的规模可以避免这种扭曲的影响,反映了该方法的优越性。

5。精度分析的瞬时水位单相机和固定比例补偿方法

瞬时水位12号固定测点规模可以通过单一相机和固定尺度测量方法,也可以从图像读取用摄像机拍摄近距离与钢铁统治者。具体结果见图9。可以看出,两种测量方法得到的瞬时水位是在良好的协议。8.0,10.0,16.0,29.0,和41.0 s,水面波动明显。的最大区别两种方法的结果是0.7厘米的模型。原因是瞬时水位的位置读取用钢直尺略有不同,在12号固定规模。当水流不稳定和液面波动较大,瞬时水位有很大区别。当水流趋于稳定,也就是说,在310.0,320.0,和328.0,可以看出,水位差测量的两种方法在模型中是1∼2毫米。

从上面的分析结果,单一相机和固定规模提出了补偿方法可以实现准确测量瞬时水位,满足测量精度要求的液压隧道模型。

6。机理分析瞬时水位测量的单相机和固定比例补偿方法

自一个全景图像需要包括所有固定尺度测量获得的点和相机测量离水面很远,所有固定尺度图像的数据不能清楚的看到。因此,这不是可行的获得的瞬时水位使用相机拍摄所有固定尺度。

本文提出方法的核心是使固定比例非常高,图像包括所有固定尺度测量的点被使用广角镜头是清晰可见。的形象高度固定规模可以准确测量图像中,水面水平可以阅读和修正。通过设置一个巨大的图像失真的影响可以避免固定在每个测点规模。固定的图像中可以再细分,规模和精确的水位可以阅读。

该方法补偿的测量分辨率,本文创新性的想法。我们所知,它没有被报道在以前所有水工模型试验。

7所示。结论

针对同时水位测量和图像分辨率在非定常流的多点水位,一个照相机和固定规模提出了补偿方法。该方法应用到明渠流在配水模型试验池和南方主要隧道Huangchigou配水工程,和非定常流的瞬时水表面轮廓在任何时间。本文方法的测量精度验证。具体结论如下:(1)单摄像机的原理和实现过程和固定规模提出了补偿法测量瞬时水位。这种方法解决了同步问题多点测量。安装无图案的固定规模相当于设置的放大图像。清晰可见范围内作为一个统治者,客观地补偿或提高了图像分辨率。与此同时,它可以避免使用引起的几何畸变影响的广角相机捕获的图像。(2)当measuringinstantaneous水位在同一点的结果比较与directreading钢统治者,单一相机和固定规模报酬方法具有很高的测量精度。1∼2毫米测量精度满足要求的瞬时水位测量非定常流模型试验。(3)本文提出的方法应用于配水的水力模型试验池和南方主要隧道Huangchigou配水工程。多点瞬时水位研究隧道模型,和瞬时水位的变化规律进行了分析。定量水位测量结果符合宏观观察和水位非定常流的分析,表明本文提出的方法对非定常流隧道模型试验是可行的。

数据可用性

所需的原始/处理数据复制这些发现也不能在这个时候作为数据共享一个正在进行的研究的一部分。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究得到了陕西省自然科学基础研究项目(2019 jlz-16)和中国博士后科学基金会(没有:2019 m663943xb)。