[发明专利]一种激光多普勒水轮机尾流测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明属于对海洋潮流能的探索技术领域，具体的说，是针对水轮机尾流流速测量的一种激光多普勒水轮机尾流测量装置及测量方法。

背景技术

海洋能是一种清洁的、可永续利用的可再生能源，资源丰富且对环境影响很小。在已有海洋能开发中，水轮机起到至关重要的作用，尤其是在潮流能发电工程中。之前科研人员的研究重点更多是水轮机的运行性能而不是它的尾流本身。因此，潮流能水轮机尾流的基础研究，特别是潮流能发电场中水轮机尾流的测量工作，对水轮机流体力学研究和解决水轮机的工程实际问题有着重大的意义。

目前应用于实际水文监测系统的主要是机械转子流速仪，由于转子流速仪是靠水流推动叶片(或旋杯)传感器转动从而获得监测位置的流速值，但其工作过程中也不可避免地破坏了自然流场的型态，所测得的流速值并不是自然流场的流速值，影响了测量精度。并且当流速太小推力不足于推动叶片转动时就无法测量。由于传感器是转动部件决定了其惧怕泥沙堵塞和水草漂浮物缠绕，会影响测量精度甚至无法测量。清华大学提出发明专利《一种双频激光多普勒测速方法及装置》(申请号：201010220246.1)提出了一种双频激光多普勒测速装置，包括双频激光束生成及探测模块、混频模块和测速模块，着重于采用双频激光束。厦门博意达科技有限公司提出发明专利《超声波多普勒流向流速仪》(申请号：201410716599.9)提出具有一对分左右布置在探头管体的前方换能器，与管体成一定夹角，用超声波探测流速，着重于提高探测范围。中水银星科技(北京)有限公司提出发明专利《一种多普勒流速测量仪以及多普勒流速测量系统》(申请号：201510382016.8)提出包括数据处理单元、信号测量单元以及无线通信单元等部件的流速测量系统，着重于信号处理单元。激光多普勒流速仪采用激光探测流速，测量点与流场互不干扰，是较先进的测流技术，是目前世界上在实验室、江河、海洋测流中广泛使用的主要设备。具有测量精度高，量程宽，感应灵敏，分辨率高等优点。激光多普勒测速仪采用近代光——电子学和微处理机技术的LDV系统，可以比较容易地实现二维，三维等流动的测量，并获得各种复杂流动结构的定量信息。因此激光多普勒技术吸引了大量的实验流体力学和其他学科的研究工作者去研究和解决这些问题，使激光测速技术得到飞速发展，成为流动测量实验的有力工具。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种激光多普勒水轮机尾流测量装置及测量方法。该装置通过简单有效的光学系统，在不干扰尾流的前提下，精确测量尾流各部分的实时流速。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种激光多普勒水轮机尾流测量装置，包括与尾流轴线方向平行的两个滑轨，所述滑轨上通过支撑杆连接有水平支架，所述水平支架上滑动连接有可伸缩的激光探头支架，所述激光探头支架的末端固定有激光探头，所述激光探头通过光缆连接有激光发射装置和激光接收装置，所述激光发射装置由激光发射器、偏振仪和光学汇聚元件组成，所述激光接收装置由光学汇聚元件和激光接收器组成。

所述水平支架的水平方向上设有用于所述激光探头支架滑动的滑道。

所述激光探头支架可实现竖直伸缩和水平移动。

所述激光探头和激光探头支架铰接连接，可保持相对竖直和相对垂直两种位置关系。

所述偏振仪可过滤按固定方向偏振的激光束。

所述激光发射器和偏振仪分别设置有两个。

一种激光多普勒水轮机尾流测量装置的测量方法，包括以下步骤：

(1)打开激光发射装置，调整激光探头支架位置使激光探头竖直对焦待测区域；

(2)控制偏振仪使激光探头发射的两束激光偏振方向为尾流轴线方向，根据多普勒效应得到待测区域水流沿尾流轴线方向上的速度分量V_x；

(3)调整偏振仪使激光探头发射的两束激光偏振方向为尾流轴向的垂直方向，根据多普勒效应得到待测区域水流的轴向垂直方向上的水平速度分量V_y；

(4)调整激光探头支架位置使激光探头水平对焦待测区域；

(5)控制偏振仪使激光探头发射的两束激光偏振方向为尾流轴线方向，根据多普勒效应得到待测区域水流沿尾流轴线方向上的速度分量V_x’；

(6)调整偏振仪使激光探头发射的两束激光偏振方向为尾流轴向的垂直方向，根据多普勒效应得到待测区域水流的轴向垂直方向上的竖直速度分量V_z。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：