[论文解读] Improving the measurement of air-water flow properties using remote distance sensing technology

Matthias Kramer, Daniel B. Bung|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2024

Flow Measurement and Analysis被引用 1

一句话总结

本研究证明，双激光三角测量传感器可通过将自由表面高程信号转换为气泡浓度时序序列，能够远程测量高度气泡化的气水流（如水跃和台阶式溢洪道）中的气泡浓度、界面速度、湍流及界面计数率。该方法实现了对关键流体参数的非侵入式、高精度且可靠的测量，为传统侵入式探针提供了一种可扩展的替代方案。

ABSTRACT

In recent years, there has been an increasing research interest in the application of remote sensing technology to highly aerated flows, which is because this technology holds the ultimate promise to enable safe and accurate measurements of real-word air-water flows in natural and human made environments. Despite the increasing number of publications, some fundamental questions, such as ``what do we measure'' or ``what can we measure'', have not been answered conclusively. In this study, we hypothesize that laser distance sensors are able to measure the concentration of entrapped air, which we demonstrate using two seminal air-water flow types, namely a submerged hydraulic jump and flows down a stepped spillway. By converting our free-surface signals into time series of instantaneous air concentrations, we also show that a dual laser triangulation setup enables the extraction of basic air-water flow parameters of the upper flow region, comprising interface count rates, interfacial velocities, and turbulence levels, while we acknowledge that some sensor characteristics, such as beam diameters, can lead to measurement biases. Overall, this study represents a major advancement in the remote measurement of air-water flow properties. Future collective research effort is required to overcome remaining challenges.

研究动机与目标

• 开发一种用于测量高度气泡化气水流中流体参数的远程非侵入式方法。
• 解决传统侵入式探针存在的高成本、复杂性以及在真实环境中的不切实际性等局限性。
• 验证激光三角测量传感器在原型尺度流体中测量气泡浓度、界面速度和湍流的适用性。
• 对比激光三角测量与传统相位检测探针的性能，并评估信号处理参数以实现最佳精度。

提出的方法

• 采用双激光三角测量传感器（LTS）测量气水流中自由表面高程的波动。
• 通过一种新型信号处理框架，将测得的自由表面信号转换为瞬时气泡浓度的时间序列。
• 应用自适应窗口互相关（AWCC）方法，从成对LTS信号中提取界面速度和雷诺应力。
• 采用中值滤波和鲁棒异常值截断（ROC）方法，降低噪声并提高气泡浓度估计的信号质量。
• 基于波峰和波谷动力学，采用基于阈值的判别方法定义被俘获和被携带的气泡浓度。
• 将结果与相位检测（PD）探针进行对比，并确定LTS数据的最优参数，如界面对数（n=25）。

实验结果

研究问题

• RQ1 激光三角测量传感器能否在高度气泡化的气水流中准确估算气泡浓度？
• RQ2 双LTS系统在无需侵入式测量的情况下，能在多大程度上提取气泡流中的界面速度和湍流水平？
• RQ3 传感器自身特性（如光束直径和间距）如何影响测量精度和偏差？
• RQ4 哪些信号处理参数（如界面对数、滤波长度）能提供最可靠的平均速度和雷诺应力估计？
• RQ5 LTS在测量气泡浓度和流体参数方面与传统相位检测探针相比表现如何？

主要发现

• 双激光三角测量传感器成功测量了淹没水跃和台阶式溢洪道中瞬时气泡浓度的时间序列，实现了对气泡卷入的远程非侵入式评估。
• 当界面对数n=25时，平均速度和雷诺应力估计达到收敛，而较低n值（如n=5）则出现非物理解释，表明该参数为最优信号处理设置。
• 中值滤波长度显著影响气泡浓度分布，测试条件下最优性能出现在15–20 ms之间。
• 使用n=25时，LTS数据推导出的雷诺应力与相位检测探针结果具有良好一致性，验证了该方法的可靠性。
• 本研究证明，激光三角测量可从自由表面波动中提取界面速度、界面计数率和湍流强度，克服了传统侵入式传感器的局限性。
• 本研究为远程测量关键气水流参数建立了概念验证，具有在原型尺度水工结构中广泛应用的潜力。