矩形明渠流速分布特征及其在流量量测中的应用.docx

1、2008年8月第27卷第4期灌溉排水学报JournalofIrrigationandDrainage文章编号：1672-3317(2008)04-0025-04矩形明渠流速分布特征及其在流量量测中的应用王二平，金辉，张艳艳，关靖，曹兵(华北水利水电学院，郑州450011)摘要：通过对明渠流速的水情试验研究.走立了矩形断而明渠流速沿垂线，分布的抛物线公式和流速横向分布的乘本禹数公式，拟合分析给出了流速分布系数的确定方法.实测柔道流速资料睑证袅明，所提由的明染流速分布规律与实际分布-ft.根据提出的明渠流速分布规律，给出了确定明渠流量的简易测定与计算方法，计算相对误是较小.可以满足明梁流量计量的精

2、度受求.在此基础上设计了实用流量自动化测量系统，可以简化明果测流工作量，降低测量成本、提高明果测流粘度.已在一些引水渠道中使用.关键词：流速分布规律；无量钢流速；流速分布系数；明染流量；自动量测系统中图分类号：TV133文献标志码：A1引言在不改变明集边界的条件下准确测量流量，一般多采用流速-面积法。以有限点的流速表征断面流动状况，需要准确掌握明渠过流断面上的流速分布规律，包括水流垂线流速分布规律与流速横向分布规律，分析明渠水流垂线流速分布通常采用对数法或指数法，为了修正该法所确定的垂线流速分布与实际水流流速分布的出入，不少学者提出通过添加尾迹函数方法对其进行修正。研究了在矩形断面明渠中水流垂

3、向及横向流速分布的特点，借助水槽试验，探求符合实际流速分布特点的明槽流速垂线分布律与横向分布律。通过建立准确的流速分布公式及相应参数的确定方法，为精确计最明槽流量提供理论计算依据。同时针对目前明渠中流量测觉装置长时间在水下工作，容易受到渠道中水草、淤沙等因素的干扰，影响测量精度，提出了新型的测最方法和装置，以期达到自动化量测的目标，提高测量的效率和精度。2矩形明渠流速试验条件采用概化明槽为长60m的室内大型玻璃水槽，断面为矩形，槽宽B=l.2m,槽深H=0.6m,糙率n=0.009,底坡:=l/1000o流量采用E-mag电磁流信计测量，其测最精度为0.30%。流速测量使用LC-3光电式旋桨流

4、速仪，校验后精度为0.1mm/so自水槽中垂线至边壁二侧各布设8条测速垂线，每条测线布置9个测速点，测点分布参照国际标准ISO1088和国家JJG835速度-面积法计量检测规程有关规定，保证测点密度可以准确反映流速分布特征值。采用不同流量级与不同水深的组合进行试验，水流保持恒定均匀紊流状态，雷诺数范围Re=49733146127,佛汝德数范围Fr=0.1120.707,实测流速为0.12-1.64m/s,保持明渠宽深比在36之间，试验水温在T=11.3*C左右。3明槽流速分布试验3.1垂向流速分布规律研究基于Prandtl理论，二元明渠流速垂线分布通常采用对数分布形式，公式如下：U=Umax-

5、亍口y(1)收稿日期:2007-08-03基金项目：国家“十一五”科技支撑计划项目(2OO6BABO6BOO-O4)作者简介：王二平(I960-),男，河南郑州人，副教授，主要从事水力学与河浪动力学方面的研究.式中：H为渠道水深;y为水中任一点到渠底的距离以为Karman常数为垂线最大流速；“为水深、处流速；"为摩阻流速。统计整理各试验组次的流速测拭成果，引入无最纲相对流速与相对水深通过拟合分析表明，明渠任一垂线上的相对流速与相对水深的无最纲函数关系可以一般的表示为：v=a（H）+'（句（2）式中we分别为测线上任一点流速与测线平均流速;y、H意义同前；q,Ac为待定的垂向分

6、布系数。影响流速垂向分布系数a、b、c的因素包括水流的宽深比B/H,糙率，水力半径R,水力坡度J,横向位置Z/B（B为矩形集宽，Z为测线至明渠边壁的距离），及相对水深y/H等。根据实测各测线流速垂向分布特征分析，在明集中心区（Z/H>2.5）和边壁区（Z/HV2.5）二个区域，系数。、公。的影响因素不同。在边壁区水流属于三元流，边壁阻力对水流运动产生较大影响，影响程度与测点距边界距离正相关。分析该区实测流速拟合曲线的变化，可以发现在这一区域的系数a、5、c主要受测线至边壁的横向位置的影响。在过水断面中心区水流为二元流，边壁阻力对水流运动影响可忽略不计,这一区域的系数a、b、c与横向位置基

7、本无关，主要受表征水流强度的Fr数控制。根据实测流速拟合的二次曲线资料，将待定系数a、b、c分别与无量纲横向坐标Z/H及Fr进行相关分析，得到了不同区域垂向流速分布系数a、b、c与Z/H及Fr间的拟合函数关系如下：在边壁区，当Z/HV0.5时：。=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)当0.5VZ/HV2.5时：。=0.1804CZ/H)一0.9085(6)b=-0.1704CZ/H)+1.0781(7)c=0.014KZ/H)+0.7556(8)在中心区，当Z/H22.5时，且满足缓流条件(Fr&

8、lt;l)时有：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)根据一些明渠实测资料，将流速计算值与实测值进行对比，比照二者相对误差均小于5%。3.2横向流速分布规律由实际观测与流速资料的整理统计发现，沿明集横断面的边壁区与中心区，测线平均流速还是连续变化并与某横向位置有关;边壁区变化大些，中心区变化小些。如果采用无量纲流速和无量纲横向位置，按照对称性原则，明渠实际流速的横向分布基本反映了乘慕函

9、数的分布特征。通过分析水槽试验的流速实测资料，采用无量纲分析法可以将沿横断面相对流速与相对位置的函数关系表示为：(12)v/2Z式中：p为任一测线平均流速;U为断面平均流速；B为渠道宽度；Z为测线至边壁的横向距离为待定参数。显然测线平均流速沿渠宽的分布特性除了与其横向位置、中垂线平均流速有关外，还与参数有关，这里称其为流速横向分布参数。ln(n)通过最纲分析，可以确定横向分布参数队、处均受断面几何特性及水力特性等要素的影响，如与B/H、与运动粘滞系数v等因素有关。为了便于研究，对式（12）二边取对数得到：(13)利用水槽与明渠的流速实测资料，对分布参数0、处的取值进行了分析。即以ln（2Z/B

10、）为自变量，以ln（W）为因变量，分析二者的关系曲线（趋势线），并将分析结果绘于图1中。由图1可以看出，在对数坐标中相对流速与横向位置间都存在着很好的线性关系，发现测点值与趋势线的相关系数均在0.96以上。ln(2Z/B)图1相对流速与相对渠宽的关系统计各条趋势线的斜率与截距，可得流速横向分布系数m值在0.1167-0.1313之间，”值在1.0761.125之间。对E、”值相关分析表明，在的诸多影响因素中主要因素是B/H、测点垂线的Fr值，其它因素的影响作用相对较弱。分析得到与B/H、测点垂线Fr值的拟合相关系数在0.90以上，相应关系式如下：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。】按以上方法确定了之后，就可以由测流断面任一测线某一点流速推出断面平均流速。经水槽及明渠的流速实测资料验证，计算值与实测值基本吻合，显示二者具有很好的一致性，相关系数达0.95以上。3.3流速分布律的校核验证选取明渠一系列实测流速数据与按照明渠流速垂向和横向分布律计算的流速作对比验证，验证结果如表1所示。从表1中可以看出，计算出的垂线平均流速和断面平均流速与实测值非常接近，相对误差一般小于4%。从而表明所提出

12、的明渠流速分布律能较准确的反映出水流的流速分布规律，完全滴足实用流量测量的精度要求。表1渠道流速计算值与实测值对比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注表中巧为任一消点处的计算河线平均流速，。为相对应实浏垂线平均流速为计算断面平均流速,U为实沔断面平均流速.4明

15、渠流量自动化量测系统掌握了明渠流速的垂向分布律和横向分布律以后，就可以根据矩形明渠垂线流速与横向流速分布规律,选择特征点，确定测点的垂线平均流速和断面平均流速,进而计算出明渠断面流量。计算过程如下：1) 测取边壁区某条测线特征点流速*然后根据式(3)式(11)求出a、b、c的值，利用式(2)计算出测点流速与测线平均流速的比值么，由式(16)计算出垂线平均流速贝v=kvu(16)2) 由测点垂线平均流速计算出垂线的Fr值，根据式(14)、式(15)求出m.n值，之后根据式(12)计算出测点垂线平均流速与断面平均流速的比值如，由式(17)求出断面平均流速U：U=kmP(17)3) 由断面平均流速U

16、和明渠过水断面面积按式(18)求出明渠过水断面流量Q：Q=UA(18)明渠流最自动化景测系统包括电磁流速触感器及伺服机构，多普勒水位跟踪仪，信号传输、采集、计算、记录系统，流量瞬时及累积值显示器。在明渠断面一侧安装有水位、泥位自动测最装置，可以根据水位、泥位的实时变化来确定流速传感器的工作状态；在断面另一侧侧壁上安装流速触感器，通过一联动轴可以90°旋转。流速触感器测流采用间歇工作方式，流速触感器工作时垂直壁面自动打开，测取控制点流速数据；停测触感器可以自动旋转收回(平行壁面)，以免触感器长时间工作受到水草等漂浮物的影响。这种实用流最自动化测最系统测流精度较高，工作安全可靠，测流成本

17、低，目前已在一些引水渠道中使用。自动化测流系统具体量测时有2种控制测流模式:一是一般最测。在渠道水位不变时，一般8min检测一次流速，每次检测时间不低于2min；二是特殊最测。水位微小波动时，流速触感器可以停止工作，按波动前的水深、流速计算流最计累计景；若水深变化超出允许波动范围时，流速传感器立即工作。5结论实测资料分析表明，垂向流速二次抛物线分布律拟合精度较高，流速计算值与实际测员值的相对误差较小。矩形渠道测线平均流速的横向分布符合乘箝函数分布形式，流速计算值与实际测童值的相对误差较小。根据流速分布垂向和横向分布规律，设计了流最自动化最测装置，可以大大减少测量工作最，且测最结果满足精度要求。

18、参考文献：1 吴持恭.水力学M.北京；高等教育出版社,2002.2 陈森林.河道断面流速分布函数研究J.水利学报,1994,(5),27-32.DistributionPropertiesofVelocityFlowAuto-measurementMethodandinRectangularOpenChannelWANGEr-ping,JINHui,ZHANGYan-yan,GUANJing,CAOBing(NorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower,Zhengzhou450011»China)Abstract

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