明渠水流流速横向分布抛物线律及其应用.docxVIP

1、人民黄河YKLLOWRIVEK【灌溉-供水明渠水流流速横向分布抛物线律及其应用韩金旭，黄福贵，卞艳丽，吴玉磊，陈伟伟(黄河水利科学研究院，河南郑州450003)摘要：依据室内试验和田间实测资料，分析了明染水流横向流速分布特点，建立了明渠水流横向流速分布抛物线律，给出了参数的确定方法，并站合明渠垂向流速双篆律提出了明渠测沆方法，实测资料验证表明：用抛物线律表达明渠水流横向流速分布具有较高的精度，在(1-2x/«,)>0.1范图内，除个别点外，计算流速相对误差小于5%；利用抛物线律及双策律建立的明渠删流方法，姑度较高，对不同形式及断面尺寸的渠道具有较强的适应性。关键词：明渠；流速；

2、横向分布；抛物线律；测流中图分类号：S274.4文献标志码：Adoi:10.3969/j.issn.1000-1379.2013.05.028ParabolicLawforLateralDistributionofFlowVelocityandItsApplicationinOpenChannelHANJin-xu,HUANGFu-gui,BIANYan-li,WUYu-lei,CHENWei-wei(YellowRiverInstituteofHydraulicResearch,Zhengzhou450003,China)Abstract:Baedonindoorandfieldrxpcri

3、ments,velocitydistributionpropertiesofopenchannelwereanalyzed.Paraboliclawforlateraldistributionofflowvelocitywasestablishedinreciangblarandtraprzoidalchannel.Thefbrwulatodefinetheparameteroftheparaboliclawwasgiven.Andthenthemethodforflowmeasurementinopenchannelwasputforwardbasedontheparaboliclawand

4、two-powerlaw.Theoutcomesshowthatthefractionalerrortofcalculatedvelocitiesbytheparaboliclawaresmallerthan5%exceptafewpoints,when(!-2x/Bt)>0.1.Inaddition,themethod(orflowmeasurementisaccurateandadaptstodifferentformofchannels.Keywords：openchannel;velocity;lateraldistribution；paraboliclaw；flowmeasur

5、ement目前，在我国农业是用水大户.随着水资源供需矛盾的日益突出，解决农业节水问题迫在眉睫，有效的明果fit水技术是强化灌区用水管理，优化水资源配置的重要手段。在各种明梁量水方法中.堰槽法测流准确，但因其阻水严歌而难以在平原灌区推广；流速-面积法适用性强，但测点较多，操作资时'-2o因此,探索明渠水流流速分布规律.通过测量:有限点流速实现明渠流场测量，即在减少淮溉水头损失的同时，减轻传统流速仪法测流的工作继.是明渠测流技术发展的方向。已有的研究一般较侧重纵向流速分布，对流速横向分布规律的探索较少。从现有的研究成果来看，明渠水流横向流速分布规律主要为指数律c陈森林等较早给出了流速分布指

6、数函数.并给出了参数的确定方法；郝红科等提出了各自的指数律.但其本质与陈森林的成果相似们；雒天峰等比较了不同指数形式对指数律计算精度的影响，认为指数律最终计算结果不易进行积分，给实际应用带来r困难；张耀哲等探索r不同含沙st对指数酒的影响.得出了指数随含沙量增大而增大的结论*；胡云进等针对明渠水流流速横向分布特点提出了较精确的经验公式，但该公式形式比较复杂；孜拉吾东等在借鉴纵向流速掺长理论的基础上.，提出了流速横向分布对数律°,但其参数确定方式仍值得商榷“尽管指数分布律在以往的研究中应用较多，但从测流角度而言，指数律往往难以得出积分结果，特别是在自动化测流过程中，指数形式常占据较大内

7、存，给数据计算及存储带来不必要的麻烦。由此可见，探索简单、精确的流速横向分布规律，是认识明渠水流特性、进行水力计算与实现明渠测流的重要手段。1试验设计与方法试验分为室内试验与田间实测两部分，室内试验在矩形水槽内进行。水槽为混凝土结构，长为25m,底宽为】m,槽深为1m,底坡比降为1：5000c为保证水流平顺.室内试验测fi：段布置在水槽中部，同时在入口处布置消能栅与压波排。尾门布置在渠道末端.以实现对渠槽水位的有效控制。水槽流fit由电磁流量计测得，水位由测针测得。田间试验在内蒙古南岸灌区进行，利用实际渠道观测流速收稿日期=2012-12-03基金项目:黄河水利料学研究fit中央级公拉性科研院

8、所墨本科研业务费专项,金项目(HKY-JBYW-2012-15);”十二五”国家科找支尊计划项日(2OI2BADO8IM5-2)。作者简介：站金旭(I984-).科.天津大清人.工<1坤.主奏从事节水论肉水誉源击效料网研充工作“E-mail：hanjinxu1984(126.cum分布。试验渠段为梯形混艇土支渠，底宽为L3m,渠道深度为Im.边坡系数为1.46,渠道坡降为1：5000。渠道水位由水尺溯得，流站采用流速-面积法计算。在测流过程中，室内水槽测流断面自中垂线向边壁均匀布置10条测线，每条测线自水面向下均匀布置10个测点。田间渠道测流断面自中线向边壁-侧布置6条测线，各测线自水面

9、向下每5cm设I个测点。试验中采用OA直读型光电流速仪测筮水槽及渠道流速分布。光电流速仪测M流速时，单-测点重复测鼠5次以上，取各测次均值作为该点流速。2明渠流横向流速分布规律2.1横向流速分布抛物线律分析观测数据可知，渠道断面水流流速由边壁至中心逐渐加快，测点流速快慢与横向位置有关。取测点流速与流层最大流速(中线流速)之比为无量纲流速，测点相对流速与相对位置的函数关系为何"式中:虬为第i流层测点流速.m/s;“g为第i流层最大流速，即该层中点处流速为测点至断面中线距离，m;B,为测流断面第i流层宽度,m；AJ为待定系数。由于中点处之=1,因此E式简化为X"2.2流层横向流

10、速分布2.2.1流速分布计算利用式(2)拟合室内试验及田间实测断面流速横向分布，见图】。由图1可知，抛物线律拟合室内及田间渠道水流流速横向分布效果良好，各点流速计算精度均较高。在(I-2x/B)>0.的范围内，抛物线律拟合结果精确，多组试验平均材对误差在±5%以内,但边壁区(】-2QB)<0.1)拟合精度稍低。图1明渠水流流速横向分布拟合结果2.2.2参数确定经分析发现，系数A呈由表层至底层先减后增的变化趋势，且不同流速k值有所差别。为确定k值的大小，对不同流层A-取均值，同时定义一个参数_/；为线弗劳德数，表达式为拟合&值与f,y/h之间的关系(y为流层至渠道底

11、部的距离,m),则不同区域k值与f,y/h的关系可表示为f-2.8152<f,y/h)+0.0175力N006),、k=(4)l0.366n(fty/h)+0.9133(fty/h<0.06)3抛物线律计算验证为了验证抛物线律的适用性及准确性.采用室内试验及田间实测数据进行精度检验。抛物线律参数由式(3)确定,流速由式(2)计算,计算结果见表l(u.为实澳I流速值，勺为计算流速值,R为相对误差)。由表1可知.在(l-2x/fi.)>0.1范围内，计算结果相对于室内试脸结果精度较高，相对误差在±5%以内，计算结果相对于田间实测流速精度稍低，但偏差亦不大.在可接受的范围

12、内，表明利用式(2)、式(3)计算明集水流流速横向分布是可行的。表1计鼻流速与实测值比较室内试验/y/h(1(m，L)R/%田间实测/(m,s'*)R/%u.u>虬u)0.871.000.1340.1340.001.001.000.6510.6510.000.930.1310.1341.980.860.6390.64!0.380.850.1300.1332.300.720.6230.611-1.910.780.1290.1322.100.570.5590.5620.500.630.1280.128-0.490.430.4680.4925.220.550.1280.125-2.66

13、0.290.5800.4036.120.400.1200.118-2.210.330.H60.113-2.320.871.000.4200.4200.000.250.1070.1091.650.830.4100.4141.060.100.0930.0984.450.660.3970.3970.100.480.3780.369-2.440.501.000.2410.24)0.000.310.3490.330-5.490.920.2390.24()0.660.140.2570.2798.560.840.2390.2390.240.750.2380.238-0.240.351.000.3560.35

14、60.000.590.2360.232-1.620.780.3410.3523.360.510.2320.229-1.620.570.3360.3411.490.430.2290.224-1.900.350.3160.3211.740.350.2250.219-2.430.140.2820.284.270.260.2150.214-0.684明渠测流计算41垂向流速分布在明确明渠水流横向流速分布规律的基础上，利用双幕律"”表达水流中垂线流速分布，从而实现明渠流量的测算。双馨律表达式为普=。(1书(十)(5)式中:、为测线平均流速,m/s；Q0、c为待定参数。参数a、b、c的计算式为a

15、=7.6769-2.8759(6)式中盘为中线平均流速,m/s；g为重力加速度,m/s2；A为断面中线处的水深,m°6=5.3721-2.6969/(u)c=1.20351na-5.3721洪+2.6938(8)/(u)=ua2+«0.8(9)式中:知2、蜘6、峋8分别为y/A=0.2、0.6、0.8处测点流速,m/so4.2流量计算方法(1) 测量中垂线人为0.2、0.6、0.8处的流速值，根据式(5)推导流速垂向分布双薜律，得到中垂线流速分布及中线平均流速。(2) 利用流速横向分布抛物线律(式(2),根据式(10)进行积分，求得第i流层流量AQ:AATT2Q=/u.AA

16、dx=化(夸)+lu,mA/idx=与气出(10)式中:为第i流层截面面积,n?。(3) 将各部分流量累加，根据式(11)计算得到断面过流流量CQ=2%g(11)4.3流量计算验证1为了验证流量计算方法的准确性，在室内试验及田间试验的基础上，进一步搜集相关研究数据，根据式(2)式(11)计算水槽与田间渠道流量，见表2、表3(0为实测流量，Q为计算流量M为相对误差)。表2为本次研究试验渠道数据资料；表3为搜集的试验数据，室内与田间渠道形制相同，均为混凝土结构U形渠道，上口宽为0.8m。表2室内水槽与田间渠道计算流精度验证与室内试驶结果比较与田间实测结果比较ft/%m3-')。/(m、L)

17、/?/%0.0550.054-0.710.2210.212-4.070.0520.050-3.300.2860.2994.540.0540.052-4.540.5000.5071.400.0350.033-6.070.4580.4723.05表3U形渠道计算流精度睑证与室内试验结果比较与田间实测结果比较R/%Q八m，s-')Q/(m3.sT)R/%0.0470.0470.530.0910.0920.710.0370.036-3.560.0800.0833.720.0470.881.420.1120.109-3.110.0460.045-3.000.1380.1465.760.0470.

18、045-3.1i0.0910.0920.69分析表2与表3可知，与室内试验与田间实测结果相比,计算结果精度均较高，除个别工况外，相对误差在±5%以内。就验证数据所涉及的渠道而言，既有U形又有矩形和梯形渠道;从断面尺寸来讲，渠道宽度为0.84.2m,可见利用抛物线律及双幕律进行明渠测流的方法在不同断面形态及规模的渠道上具有较好的适用性。同时，该方法在测流过程中，只需测量断面中线上y/A=0.2、0.6、0.8三点流速，比传统的流速-面积法需要测量多线多点流速可节省大量的时间、提高田间测流精度.更适应田间渠道水流形态变化迅速的特点。5结论(1) 采用抛物线律描述明渠水流横向流速分布具有较高的精确性。根据室内试验资料检验，在(1-2X/AJ>0.1范围内，依据抛物线律计算明渠水流流速横向分布的相对误差在±5%以内。相对于田间试验结果，计算结果精度稍低，但除个别点外，结果可以满足精度需要。(2) 基于抛物线律与垂向流速分布双慕律所提出的明渠测流方法具有较高的计算精度，对不同断面形式及规模的渠道具有普遍的适应性。参考文献：1 张川.内蒙古河套灌区末级梁道最水