1、2008年8月第27卷第4期灌溉排水學報JournalofIrrigationandDrainage文章編號：1672-3317(2008)04-0025-04矩形明渠流速分布特征及其在流量量測中的應用王二平，金輝，張艷艷，關靖，曹兵(華北水利水電學院，鄭州450011)摘要：通過對明渠流速的水情試驗研究.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公式，擬合分析給出了流速分布系數的確定方法.實測柔道流速資料瞼證裊明，所提由的明染流速分布規律與實際分布-ft.根據提出的明渠流速分布規律，給出了確定明渠流量的簡易測定與計算方法，計算相對誤是較小.可以滿足明梁流量計量的精

2、度受求.在此基礎上設計了實用流量自動化測量系統，可以簡化明果測流工作量，降低測量成本、提高明果測流粘度.已在一些引水渠道中使用.關鍵詞：流速分布規律；無量鋼流速；流速分布系數；明染流量；自動量測系統中圖分類號：TV133文獻標志碼：A1引言在不改變明集邊界的條件下準確測量流量，一般多采用流速-面積法。以有限點的流速表征斷面流動狀況，需要準確掌握明渠過流斷面上的流速分布規律，包括水流垂線流速分布規律與流速橫向分布規律，分析明渠水流垂線流速分布通常采用對數法或指數法，為了修正該法所確定的垂線流速分布與實際水流流速分布的出入，不少學者提出通過添加尾跡函數方法對其進行修正。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，借助水槽試驗，探求符合實際流速分布特點的明槽流速垂線分布律與橫向分布律。通過建立準確的流速分布公式及相應參數的確定方法，為精確計最明槽流量提供理論計算依據。同時針對目前明渠中流量測覺裝置長時間在水下工作，容易受到渠道中水草、淤沙等因素的干擾，影響測量精度，提出了新型的測最方法和裝置，以期達到自動化量測的目標，提高測量的效率和精度。2矩形明渠流速試驗條件采用概化明槽為長60m的室內大型玻璃水槽，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電磁流信計測量，其測最精度為0.30%。流速測量使用LC-3光電式旋槳流

4、速儀，校驗后精度為0.1mm/so自水槽中垂線至邊壁二側各布設8條測速垂線，每條測線布置9個測速點，測點分布參照國際標準ISO1088和國家JJG835速度-面積法計量檢測規程有關規定，保證測點密度可以準確反映流速分布特征值。采用不同流量級與不同水深的組合進行試驗，水流保持恒定均勻紊流狀態，雷諾數范圍Re=49733146127,佛汝德數范圍Fr=0.1120.707,實測流速為0.12-1.64m/s,保持明渠寬深比在36之間，試驗水溫在T=11.3*C左右。3明槽流速分布試驗3.1垂向流速分布規律研究基于Prandtl理論，二元明渠流速垂線分布通常采用對數分布形式，公式如下：U=Umax-

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

6、布系數。影響流速垂向分布系數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為測線至明渠邊壁的距離），及相對水深y/H等。根據實測各測線流速垂向分布特征分析，在明集中心區（Z/H>2.5）和邊壁區（Z/HV2.5）二個區域，系數。、公。的影響因素不同。在邊壁區水流屬于三元流，邊壁阻力對水流運動產生較大影響，影響程度與測點距邊界距離正相關。分析該區實測流速擬合曲線的變化，可以發現在這一區域的系數a、5、c主要受測線至邊壁的橫向位置的影響。在過水斷面中心區水流為二元流，邊壁阻力對水流運動影響可忽略不計,這一區域的系數a、b、c與橫向位置基

7、本無關，主要受表征水流強度的Fr數控制。根據實測流速擬合的二次曲線資料，將待定系數a、b、c分別與無量綱橫向坐標Z/H及Fr進行相關分析，得到了不同區域垂向流速分布系數a、b、c與Z/H及Fr間的擬合函數關系如下：在邊壁區，當Z/HV0.5時：。=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0.5VZ/HV2.5時：。=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，當Z/H22.5時，且滿足緩流條件(Fr&

8、lt;l)時有：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)根據一些明渠實測資料，將流速計算值與實測值進行對比，比照二者相對誤差均小于5%。3.2橫向流速分布規律由實際觀測與流速資料的整理統計發現，沿明集橫斷面的邊壁區與中心區，測線平均流速還是連續變化并與某橫向位置有關;邊壁區變化大些，中心區變化小些。如果采用無量綱流速和無量綱橫向位置，按照對稱性原則，明渠實際流速的橫向分布基本反映了乘慕函

9、數的分布特征。通過分析水槽試驗的流速實測資料，采用無量綱分析法可以將沿橫斷面相對流速與相對位置的函數關系表示為：(12)v/2Z式中：p為任一測線平均流速;U為斷面平均流速；B為渠道寬度；Z為測線至邊壁的橫向距離為待定參數。顯然測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外，還與參數有關，這里稱其為流速橫向分布參數。ln(n)通過最綱分析，可以確定橫向分布參數隊、處均受斷面幾何特性及水力特性等要素的影響，如與B/H、與運動粘滯系數v等因素有關。為了便于研究，對式（12）二邊取對數得到：(13)利用水槽與明渠的流速實測資料，對分布參數0、處的取值進行了分析。即以ln（2Z/B

10、）為自變量，以ln（W）為因變量，分析二者的關系曲線（趨勢線），并將分析結果繪于圖1中。由圖1可以看出，在對數坐標中相對流速與橫向位置間都存在著很好的線性關系，發現測點值與趨勢線的相關系數均在0.96以上。ln(2Z/B)圖1相對流速與相對渠寬的關系統計各條趨勢線的斜率與截距，可得流速橫向分布系數m值在0.1167-0.1313之間，”值在1.0761.125之間。對E、”值相關分析表明，在的諸多影響因素中主要因素是B/H、測點垂線的Fr值，其它因素的影響作用相對較弱。分析得到與B/H、測點垂線Fr值的擬合相關系數在0.90以上，相應關系式如下：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，就可以由測流斷面任一測線某一點流速推出斷面平均流速。經水槽及明渠的流速實測資料驗證，計算值與實測值基本吻合，顯示二者具有很好的一致性，相關系數達0.95以上。3.3流速分布律的校核驗證選取明渠一系列實測流速數據與按照明渠流速垂向和橫向分布律計算的流速作對比驗證，驗證結果如表1所示。從表1中可以看出，計算出的垂線平均流速和斷面平均流速與實測值非常接近，相對誤差一般小于4%。從而表明所提出

12、的明渠流速分布律能較準確的反映出水流的流速分布規律，完全滴足實用流量測量的精度要求。表1渠道流速計算值與實測值對比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處的計算河線平均流速，。為相對應實瀏垂線平均流速為計算斷面平均流速,U為實沔斷面平均流速.4明

15、渠流量自動化量測系統掌握了明渠流速的垂向分布律和橫向分布律以后，就可以根據矩形明渠垂線流速與橫向流速分布規律,選擇特征點，確定測點的垂線平均流速和斷面平均流速,進而計算出明渠斷面流量。計算過程如下：1) 測取邊壁區某條測線特征點流速*然后根據式(3)式(11)求出a、b、c的值，利用式(2)計算出測點流速與測線平均流速的比值么，由式(16)計算出垂線平均流速貝v=kvu(16)2) 由測點垂線平均流速計算出垂線的Fr值，根據式(14)、式(15)求出m.n值，之后根據式(12)計算出測點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、和明渠過水斷面面積按式(18)求出明渠過水斷面流量Q：Q=UA(18)明渠流最自動化景測系統包括電磁流速觸感器及伺服機構，多普勒水位跟蹤儀，信號傳輸、采集、計算、記錄系統，流量瞬時及累積值顯示器。在明渠斷面一側安裝有水位、泥位自動測最裝置，可以根據水位、泥位的實時變化來確定流速傳感器的工作狀態；在斷面另一側側壁上安裝流速觸感器，通過一聯動軸可以90°旋轉。流速觸感器測流采用間歇工作方式，流速觸感器工作時垂直壁面自動打開，測取控制點流速數據；停測觸感器可以自動旋轉收回(平行壁面)，以免觸感器長時間工作受到水草等漂浮物的影響。這種實用流最自動化測最系統測流精度較高，工作安全可靠，測流成本

17、低，目前已在一些引水渠道中使用。自動化測流系統具體量測時有2種控制測流模式:一是一般最測。在渠道水位不變時，一般8min檢測一次流速，每次檢測時間不低于2min；二是特殊最測。水位微小波動時，流速觸感器可以停止工作，按波動前的水深、流速計算流最計累計景；若水深變化超出允許波動范圍時，流速傳感器立即工作。5結論實測資料分析表明，垂向流速二次拋物線分布律擬合精度較高，流速計算值與實際測員值的相對誤差較小。矩形渠道測線平均流速的橫向分布符合乘箝函數分布形式，流速計算值與實際測童值的相對誤差較小。根據流速分布垂向和橫向分布規律，設計了流最自動化最測裝置，可以大大減少測量工作最，且測最結果滿足精度要求。

18、參考文獻：1 吳持恭.水力學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研究J.水利學報,1994,(5),27-32.DistributionPropertiesofVelocityFlowAuto-measurementMethodandinRectangularOpenChannelWANGEr-ping,JINHui,ZHANGYan-yan,GUANJing,CAOBing(NorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower,Zhengzhou450011»China)Abstract

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