矩形明渠流速分布特征及其在流量量測(cè)中的應(yīng)用.docxVIP

1、2008年8月第27卷第4期灌溉排水學(xué)報(bào)JournalofIrrigationandDrainage文章編號(hào)：1672-3317(2008)04-0025-04矩形明渠流速分布特征及其在流量量測(cè)中的應(yīng)用王二平，金輝，張艷艷，關(guān)靖，曹兵(華北水利水電學(xué)院，鄭州450011)摘要：通過對(duì)明渠流速的水情試驗(yàn)研究.走立了矩形斷而明渠流速沿垂線，分布的拋物線公式和流速橫向分布的乘本禹數(shù)公式，擬合分析給出了流速分布系數(shù)的確定方法.實(shí)測(cè)柔道流速資料瞼證裊明，所提由的明染流速分布規(guī)律與實(shí)際分布-ft.根據(jù)提出的明渠流速分布規(guī)律，給出了確定明渠流量的簡(jiǎn)易測(cè)定與計(jì)算方法，計(jì)算相對(duì)誤是較小.可以滿足明梁流量計(jì)量的精

2、度受求.在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了實(shí)用流量自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)，可以簡(jiǎn)化明果測(cè)流工作量，降低測(cè)量成本、提高明果測(cè)流粘度.已在一些引水渠道中使用.關(guān)鍵詞：流速分布規(guī)律；無量鋼流速；流速分布系數(shù)；明染流量；自動(dòng)量測(cè)系統(tǒng)中圖分類號(hào)：TV133文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A1引言在不改變明集邊界的條件下準(zhǔn)確測(cè)量流量，一般多采用流速-面積法。以有限點(diǎn)的流速表征斷面流動(dòng)狀況，需要準(zhǔn)確掌握明渠過流斷面上的流速分布規(guī)律，包括水流垂線流速分布規(guī)律與流速橫向分布規(guī)律，分析明渠水流垂線流速分布通常采用對(duì)數(shù)法或指數(shù)法，為了修正該法所確定的垂線流速分布與實(shí)際水流流速分布的出入，不少學(xué)者提出通過添加尾跡函數(shù)方法對(duì)其進(jìn)行修正。研究了在矩形斷面明渠中水流垂

3、向及橫向流速分布的特點(diǎn)，借助水槽試驗(yàn)，探求符合實(shí)際流速分布特點(diǎn)的明槽流速垂線分布律與橫向分布律。通過建立準(zhǔn)確的流速分布公式及相應(yīng)參數(shù)的確定方法，為精確計(jì)最明槽流量提供理論計(jì)算依據(jù)。同時(shí)針對(duì)目前明渠中流量測(cè)覺裝置長(zhǎng)時(shí)間在水下工作，容易受到渠道中水草、淤沙等因素的干擾，影響測(cè)量精度，提出了新型的測(cè)最方法和裝置，以期達(dá)到自動(dòng)化量測(cè)的目標(biāo)，提高測(cè)量的效率和精度。2矩形明渠流速試驗(yàn)條件采用概化明槽為長(zhǎng)60m的室內(nèi)大型玻璃水槽，斷面為矩形，槽寬B=l.2m,槽深H=0.6m,糙率n=0.009,底坡:=l/1000o流量采用E-mag電磁流信計(jì)測(cè)量，其測(cè)最精度為0.30%。流速測(cè)量使用LC-3光電式旋槳流

4、速儀，校驗(yàn)后精度為0.1mm/so自水槽中垂線至邊壁二側(cè)各布設(shè)8條測(cè)速垂線，每條測(cè)線布置9個(gè)測(cè)速點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)分布參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO1088和國(guó)家JJG835速度-面積法計(jì)量檢測(cè)規(guī)程有關(guān)規(guī)定，保證測(cè)點(diǎn)密度可以準(zhǔn)確反映流速分布特征值。采用不同流量級(jí)與不同水深的組合進(jìn)行試驗(yàn)，水流保持恒定均勻紊流狀態(tài)，雷諾數(shù)范圍Re=49733146127,佛汝德數(shù)范圍Fr=0.1120.707,實(shí)測(cè)流速為0.12-1.64m/s,保持明渠寬深比在36之間，試驗(yàn)水溫在T=11.3*C左右。3明槽流速分布試驗(yàn)3.1垂向流速分布規(guī)律研究基于Prandtl理論，二元明渠流速垂線分布通常采用對(duì)數(shù)分布形式，公式如下：U=Umax-

5、亍口y(1)收稿日期:2007-08-03基金項(xiàng)目：國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2OO6BABO6BOO-O4)作者簡(jiǎn)介：王二平(I960-),男，河南鄭州人，副教授，主要從事水力學(xué)與河浪動(dòng)力學(xué)方面的研究.式中：H為渠道水深;y為水中任一點(diǎn)到渠底的距離以為Karman常數(shù)為垂線最大流速；“為水深、處流速；"為摩阻流速。統(tǒng)計(jì)整理各試驗(yàn)組次的流速測(cè)拭成果，引入無最綱相對(duì)流速與相對(duì)水深通過擬合分析表明，明渠任一垂線上的相對(duì)流速與相對(duì)水深的無最綱函數(shù)關(guān)系可以一般的表示為：v=a（H）+'（句（2）式中we分別為測(cè)線上任一點(diǎn)流速與測(cè)線平均流速;y、H意義同前；q,Ac為待定的垂向分

6、布系數(shù)。影響流速垂向分布系數(shù)a、b、c的因素包括水流的寬深比B/H,糙率，水力半徑R,水力坡度J,橫向位置Z/B（B為矩形集寬，Z為測(cè)線至明渠邊壁的距離），及相對(duì)水深y/H等。根據(jù)實(shí)測(cè)各測(cè)線流速垂向分布特征分析，在明集中心區(qū)（Z/H>2.5）和邊壁區(qū)（Z/HV2.5）二個(gè)區(qū)域，系數(shù)。、公。的影響因素不同。在邊壁區(qū)水流屬于三元流，邊壁阻力對(duì)水流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大影響，影響程度與測(cè)點(diǎn)距邊界距離正相關(guān)。分析該區(qū)實(shí)測(cè)流速擬合曲線的變化，可以發(fā)現(xiàn)在這一區(qū)域的系數(shù)a、5、c主要受測(cè)線至邊壁的橫向位置的影響。在過水?dāng)嗝嬷行膮^(qū)水流為二元流，邊壁阻力對(duì)水流運(yùn)動(dòng)影響可忽略不計(jì),這一區(qū)域的系數(shù)a、b、c與橫向位置基

7、本無關(guān)，主要受表征水流強(qiáng)度的Fr數(shù)控制。根據(jù)實(shí)測(cè)流速擬合的二次曲線資料，將待定系數(shù)a、b、c分別與無量綱橫向坐標(biāo)Z/H及Fr進(jìn)行相關(guān)分析，得到了不同區(qū)域垂向流速分布系數(shù)a、b、c與Z/H及Fr間的擬合函數(shù)關(guān)系如下：在邊壁區(qū)，當(dāng)Z/HV0.5時(shí)：。=一1.17(Z/H)一0.4282(3)b=1.5261(Z/H)+0.4106(4)c=一0.4168(Z/H)+0.9211(5)當(dāng)0.5VZ/HV2.5時(shí)：。=0.1804CZ/H)一0.9085(6)b=-0.1704CZ/H)+1.0781(7)c=0.014KZ/H)+0.7556(8)在中心區(qū)，當(dāng)Z/H22.5時(shí)，且滿足緩流條件(Fr&

8、lt;l)時(shí)有：q=13.851&325.739Fr2+15.345Fr一3.4831(9)b=-25.985Fr3+46.449Fr2一26.361Fr+5.5073(10)c=11.017Fr3一19.205Fr2+10.561Fr一1.0329(11)根據(jù)一些明渠實(shí)測(cè)資料，將流速計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，比照二者相對(duì)誤差均小于5%。3.2橫向流速分布規(guī)律由實(shí)際觀測(cè)與流速資料的整理統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，沿明集橫斷面的邊壁區(qū)與中心區(qū)，測(cè)線平均流速還是連續(xù)變化并與某橫向位置有關(guān);邊壁區(qū)變化大些，中心區(qū)變化小些。如果采用無量綱流速和無量綱橫向位置，按照對(duì)稱性原則，明渠實(shí)際流速的橫向分布基本反映了乘慕函

9、數(shù)的分布特征。通過分析水槽試驗(yàn)的流速實(shí)測(cè)資料，采用無量綱分析法可以將沿橫斷面相對(duì)流速與相對(duì)位置的函數(shù)關(guān)系表示為：(12)v/2Z式中：p為任一測(cè)線平均流速;U為斷面平均流速；B為渠道寬度；Z為測(cè)線至邊壁的橫向距離為待定參數(shù)。顯然測(cè)線平均流速沿渠寬的分布特性除了與其橫向位置、中垂線平均流速有關(guān)外，還與參數(shù)有關(guān)，這里稱其為流速橫向分布參數(shù)。ln(n)通過最綱分析，可以確定橫向分布參數(shù)隊(duì)、處均受斷面幾何特性及水力特性等要素的影響，如與B/H、與運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)v等因素有關(guān)。為了便于研究，對(duì)式（12）二邊取對(duì)數(shù)得到：(13)利用水槽與明渠的流速實(shí)測(cè)資料，對(duì)分布參數(shù)0、處的取值進(jìn)行了分析。即以ln（2Z/B

10、）為自變量，以ln（W）為因變量，分析二者的關(guān)系曲線（趨勢(shì)線），并將分析結(jié)果繪于圖1中。由圖1可以看出，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)中相對(duì)流速與橫向位置間都存在著很好的線性關(guān)系，發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)值與趨勢(shì)線的相關(guān)系數(shù)均在0.96以上。ln(2Z/B)圖1相對(duì)流速與相對(duì)渠寬的關(guān)系統(tǒng)計(jì)各條趨勢(shì)線的斜率與截距，可得流速橫向分布系數(shù)m值在0.1167-0.1313之間，”值在1.0761.125之間。對(duì)E、”值相關(guān)分析表明，在的諸多影響因素中主要因素是B/H、測(cè)點(diǎn)垂線的Fr值，其它因素的影響作用相對(duì)較弱。分析得到與B/H、測(cè)點(diǎn)垂線Fr值的擬合相關(guān)系數(shù)在0.90以上，相應(yīng)關(guān)系式如下：m=5XlOx2-0.0014x+0.1317(

11、R2=0.956)(14)其中：x=Fr/(2Z/B)0125X(B/H)2和”=5.736210.487工+5.8727(R2-0.9079)(15)其中：x=Fr/(2Z/B)o”5。】按以上方法確定了之后，就可以由測(cè)流斷面任一測(cè)線某一點(diǎn)流速推出斷面平均流速。經(jīng)水槽及明渠的流速實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本吻合，顯示二者具有很好的一致性，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.95以上。3.3流速分布律的校核驗(yàn)證選取明渠一系列實(shí)測(cè)流速數(shù)據(jù)與按照明渠流速垂向和橫向分布律計(jì)算的流速作對(duì)比驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，計(jì)算出的垂線平均流速和斷面平均流速與實(shí)測(cè)值非常接近，相對(duì)誤差一般小于4%。從而表明所提出

12、的明渠流速分布律能較準(zhǔn)確的反映出水流的流速分布規(guī)律，完全滴足實(shí)用流量測(cè)量的精度要求。表1渠道流速計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比2Z/BZ/HFry/H巧/(ms,)v/(ms-1)RU”(ms-】)U/(m«s"1)R0.10.35780.3688-2.9690.44860.4530-0.9870.20.36720.3688一0.4310.46030.45301.5880.0830.2560.26700.40.35920.3688-2.5910.45030.4530-0.5940.60.35650.3688-3.3330.44690.4530-1.3670.80.36830.3688-

13、0.1310.46170.45301.8840.90.36820.3688-0.1570.46160.45301.8580.10.27270.2796-2.5360.38710.3896-0.6550.20.28040.27960.2610.39790.38962.0920.0330.0520.15960.40.28020.27960.2170.39780.38962.0480.60.27770.2796-0.6910.39420.38961.1560.80.27770.2796-0.7010.39410.38961.1470.90.28080.27960.4200.39860.38962.2

14、470.10.46170.4665-1.0290.44900.4530-0.8790.20.47020.46650.7970.45730.45300.9450.6672.0S10.33740.40.47760.46652.3220.46450.45302.4680.60.47710.46652.2200.46400.45302.3650.80.47470.46651.7360.46170.45301.8830.90.46550.4665-0.2010.45280.4530一0.052注表中巧為任一消點(diǎn)處的計(jì)算河線平均流速，。為相對(duì)應(yīng)實(shí)瀏垂線平均流速為計(jì)算斷面平均流速,U為實(shí)沔斷面平均流速.4明

15、渠流量自動(dòng)化量測(cè)系統(tǒng)掌握了明渠流速的垂向分布律和橫向分布律以后，就可以根據(jù)矩形明渠垂線流速與橫向流速分布規(guī)律,選擇特征點(diǎn)，確定測(cè)點(diǎn)的垂線平均流速和斷面平均流速,進(jìn)而計(jì)算出明渠斷面流量。計(jì)算過程如下：1) 測(cè)取邊壁區(qū)某條測(cè)線特征點(diǎn)流速*然后根據(jù)式(3)式(11)求出a、b、c的值，利用式(2)計(jì)算出測(cè)點(diǎn)流速與測(cè)線平均流速的比值么，由式(16)計(jì)算出垂線平均流速貝v=kvu(16)2) 由測(cè)點(diǎn)垂線平均流速計(jì)算出垂線的Fr值，根據(jù)式(14)、式(15)求出m.n值，之后根據(jù)式(12)計(jì)算出測(cè)點(diǎn)垂線平均流速與斷面平均流速的比值如，由式(17)求出斷面平均流速U：U=kmP(17)3) 由斷面平均流速U

16、和明渠過水?dāng)嗝婷娣e按式(18)求出明渠過水?dāng)嗝媪髁縌：Q=UA(18)明渠流最自動(dòng)化景測(cè)系統(tǒng)包括電磁流速觸感器及伺服機(jī)構(gòu)，多普勒水位跟蹤儀，信號(hào)傳輸、采集、計(jì)算、記錄系統(tǒng)，流量瞬時(shí)及累積值顯示器。在明渠斷面一側(cè)安裝有水位、泥位自動(dòng)測(cè)最裝置，可以根據(jù)水位、泥位的實(shí)時(shí)變化來確定流速傳感器的工作狀態(tài)；在斷面另一側(cè)側(cè)壁上安裝流速觸感器，通過一聯(lián)動(dòng)軸可以90°旋轉(zhuǎn)。流速觸感器測(cè)流采用間歇工作方式，流速觸感器工作時(shí)垂直壁面自動(dòng)打開，測(cè)取控制點(diǎn)流速數(shù)據(jù)；停測(cè)觸感器可以自動(dòng)旋轉(zhuǎn)收回(平行壁面)，以免觸感器長(zhǎng)時(shí)間工作受到水草等漂浮物的影響。這種實(shí)用流最自動(dòng)化測(cè)最系統(tǒng)測(cè)流精度較高，工作安全可靠，測(cè)流成本

17、低，目前已在一些引水渠道中使用。自動(dòng)化測(cè)流系統(tǒng)具體量測(cè)時(shí)有2種控制測(cè)流模式:一是一般最測(cè)。在渠道水位不變時(shí)，一般8min檢測(cè)一次流速，每次檢測(cè)時(shí)間不低于2min；二是特殊最測(cè)。水位微小波動(dòng)時(shí)，流速觸感器可以停止工作，按波動(dòng)前的水深、流速計(jì)算流最計(jì)累計(jì)景；若水深變化超出允許波動(dòng)范圍時(shí)，流速傳感器立即工作。5結(jié)論實(shí)測(cè)資料分析表明，垂向流速二次拋物線分布律擬合精度較高，流速計(jì)算值與實(shí)際測(cè)員值的相對(duì)誤差較小。矩形渠道測(cè)線平均流速的橫向分布符合乘箝函數(shù)分布形式，流速計(jì)算值與實(shí)際測(cè)童值的相對(duì)誤差較小。根據(jù)流速分布垂向和橫向分布規(guī)律，設(shè)計(jì)了流最自動(dòng)化最測(cè)裝置，可以大大減少測(cè)量工作最，且測(cè)最結(jié)果滿足精度要求。

18、參考文獻(xiàn)：1 吳持恭.水力學(xué)M.北京；高等教育出版社,2002.2 陳森林.河道斷面流速分布函數(shù)研究J.水利學(xué)報(bào),1994,(5),27-32.DistributionPropertiesofVelocityFlowAuto-measurementMethodandinRectangularOpenChannelWANGEr-ping,JINHui,ZHANGYan-yan,GUANJing,CAOBing(NorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower,Zhengzhou450011»China)Abstract

19、:Throughtheflumeexperimentalresearch,theauthorsetsupavelocitydistributionformulaforrectangularopenchannel,includingparabolaformofvelocitydistributionontheverticalandpowerformofmeanvelocitydistributiononthetransversedirection；meanwhile,themeansofascertainingvelocityprofilecoefficientweregiveninthispaper.Validationoftheobservingvelocitydatainnaturechannelsind