CN109141542A - 基于临界水深槽工作原理的矩形渠道无槽量水方法 - Google Patents

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Abstract

基于临界水深槽工作原理的矩形渠道无槽量水方法属于渠道测量技术领域。本发明利用临界水深槽的工作原理，但不实际修建临界水深槽，既满足矩形渠道灌溉水量计量的需要，又不影响渠道过流能力，一举两得。本发明有效实现了计划用水、科学用水，促使用户节约用水，杜绝和减少水资源的浪费，降低灌溉成本，提高灌溉效率。

Description

基于临界水深槽工作原理的矩形渠道无槽量水方法
技术领域
本发明属于渠道流量测量技术领域，特别是涉及到一种基于临界水深槽工作原理的矩形渠道无槽量水方法。
背景技术
结合现代农田灌溉技术，为更有效的利用水资源，提高水资源利用率，需要进行节水灌溉，而灌区则是节水的重点。目前绝大多数渠道在设计时未考虑流量计量设施，后期设置又会导致渠道过流能力下降，影响灌溉效率。
因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于临界水深槽工作原理的矩形渠道无槽量水方法用于解决现有技术中大多数渠道在设计时未考虑流量计量设施，后期设置又会导致渠道过流能力下降，影响灌溉效率的技术问题。
基于临界水深槽工作原理的矩形渠道无槽量水方法，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，
步骤一、获得矩形渠道的底宽、渠深、渠道比降、渠道设计流量、渠道加大流量以及渠道最小流量，根据预设置机翼形量水槽的位置选定量水槽的上游水位测点的渠道桩号和量水槽下游水位测点的渠道桩号；
步骤二、获得底宽0.6m的模型矩形渠道比降与机翼形量水槽喉口收缩比关系表；
步骤三、根据重力相似准则以及佛汝德准则，获得矩形渠道的几何长度比尺λL；
所述几何长度比尺λL为矩形渠道的底宽与模型矩形渠道的底宽的比值；
步骤四、根据流量比尺λQ与几何长度比尺λL关系式获得矩形渠道的流量比尺λQ；
步骤五、根据步骤二中获得的模型矩形渠道比降与机翼形量水槽喉口收缩比关系表和步骤四中获得的矩形渠道的流量比尺λQ获得矩形渠道比降与机翼形量水槽喉口收缩比关系表；
步骤六、根据步骤一中获得的渠道比降和渠道设计流量，通过步骤五中获得的矩形渠道比降与机翼形量水槽喉口收缩比关系表，获得机翼形量水槽的收缩比；
步骤七、根据步骤一中获得的矩形渠道的底宽和步骤六中获得的机翼形量水槽的收缩比，利用翼高P的公式以及翼长L的公式获得机翼形量水槽的翼高P和翼长L；
步骤八、根据步骤七中获得的机翼形量水槽的翼高P和翼长L，获得翼形曲线方程y；
步骤九、根据矩形渠道的底宽和机翼形量水槽的翼高P，利用喉口宽度Bc的公式，获得机翼形量水槽的喉口宽度Bc；
步骤十、利用计算流体动力学分析CFD软件，根据翼形曲线方程以及底宽、渠深、渠道比降在CFD软件中建立修建量水槽后的渠道模型，
按照固定的数值间隔设置渠道流量的数值，设置的渠道流量的数值介于渠道加大流量和渠道最小流量之间，通过量水槽上游水位与量水槽下游水位关系式，由CFD软件数值模拟和数据拟合获得量水槽上游水位与量水槽下游水位关系式中系数b、c以及d的值；
在CFD软件中，通过量水槽上游水位以及通过量水槽的流量Q关系式，由CFD软件数值模拟和数据拟合获得量水槽的流量Q关系式中系数a和n的值；
步骤十一、根据步骤一中选定的渠道桩号处设置水位测井，获得量水槽下游水位，
步骤十二、根据步骤十中的量水槽上游水位与量水槽下游水位关系式和步骤十中获得的量水槽下游水位，获得量水槽上游水位；
步骤十三、根据步骤十二中获得的量水槽上游水位和步骤九中获得的机翼形量水槽的喉口宽度Bc，通过量水槽的流量Q关系式获得通过量水槽的流量Q。
所述步骤四中流量比尺λQ与几何长度比尺λL关系式如下：
所述步骤七中翼高P的公式为：
P＝B*(1-ε)/2，
其中，B表示渠道底宽，ε表示收缩比。
所述步骤七中机翼形量水槽的翼长L的公式为：
L＝5*P
其中，P表示机翼形量水槽的翼高。
所述步骤八中翼形曲线y如下：
其中，其中，P为翼高，单位为m；L为翼长，单位为m；x表示翼形曲线在直角坐标系中的横坐标；y表示翼形曲线在直角坐标系中的纵坐标。
所述步骤九中喉口宽度Bc的公式为：Bc＝B-2P，
其中B表示渠道底宽，P表示机翼形量水槽的翼高。
所述步骤十中量水槽上游水位与量水槽下游水位关系式为：
H上＝bH下 c+d
其中，b、c、d均为系数，由CFD软件数值模拟和数据拟合确定，H上表示上游水位；H下表示下游水位。
所述步骤十中量水槽的流量Q关系式为：
其中，a、n为系数，由CFD软件数值模拟和数据拟合确定，g表示重力加速度，取值为9.8m/s2，Bc表示喉口宽度，单位为m，H上表示上游水位。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
本发明利用临界水深槽的工作原理，但不实际修建临界水深槽，既满足矩形渠道灌溉水量计量的需要，又不影响渠道过流能力，一举两得。本发明有效实现了计划用水、科学用水，促使用户节约用水，杜绝和减少水资源的浪费，降低灌溉成本，提高灌溉效率。
具体实施方式
实施例：矩形渠道恒成号支渠底宽1.8m、渠深0.9m、渠道比降1/700、渠道设计流量1080L/s、渠道加大流量1296L/s、渠道最小流量432L/s，选用矩形渠道机翼形量水槽，明确量水槽上游水位测点位于渠道桩号0+015，量水槽下游水位测点位于渠道桩号0+022。
矩形渠道比降与机翼形量水槽喉口收缩比关系表(底宽＝0.6m)
根据重力相似准则，模型和原型之间各物理量的比尺必须遵守佛汝德准则，流量比尺λQ和几何长度比尺λL关系如下：
实例原型矩形渠道底宽1.8m，模型矩形渠道底宽0.6m：
λQ＝32.5＝15.59
矩形渠道比降与机翼形量水槽喉口收缩比关系表(底宽＝1.8m)
根据渠道流量比降，确定量水槽收缩比为0.6，由渠道宽度1.8m和收缩比0.6可以确定翼高为P＝0.36m，翼长为L＝1.8m。将P、L带入翼形曲线方程。
即可得到翼形曲线方程：
由CFD软件得到上游水位和下游水位曲线过程：
(1)建立模型。通过导入外部CAD建模文件到CFD软件，利用翼形曲线方程以及底宽、渠深、渠道比降等参数建立修建量水槽后的渠道模型。
(2)通过CFD软件中自带网格划分软件进行网格划分。划分网格后将各个表面进行命名以供划分边界条件时使用。即选择进水的横截面，取名为in(名字可以自定义，选择边界条件时能区分即可，均为英文)；出口面为out；上表面为up；渠底定义为wall1；两侧渠道边壁及机翼形量水槽边壁为wall2；上表面为wall3。
(3)将划分好的网格模型导入CFD软件求解器中进行求解。
①选择模型。在Model(模型)选项的下拉菜单中选择Viscous中的标准k-epsilon模型，确定后在同一界面双击Multiphase选项，在弹出来的界面中选择Volume of Fluid(VOF模型)来追踪自由表面位置。
②定义边界条件。首先定义进口。选择网格划分好后定义的进口面(in)，在下拉菜单中选择流速入口边界条件(VELOCITY INLET)，在弹出的流速入口边界参数对话框中，输入进口的速度v以及湍动能k和湍动能耗散率ε的值。如下公式进行计算：
Q为选定的渠道设计流量，介于渠道加大流量和渠道最小流量之间，单位为m3/s；A为渠道的横截面积，单位为m2。
为得到不同流量下的水位数据，可根据区间的长度在此区间中每隔一定的范围取值，比如每隔10m3/s或者20m3/s取一个流量值。因为一个流量对应一个量水槽上游水位和一个量水槽下游水位数据，为了拟合量水槽上游水位H上与量水槽下游水位H下的公式中的系数，我们需要得到多组水位数据，上面这么做的目的是为了取到不同的流量，在算出不同的速度后，输入到CFD软件中进行求解，在得到不同流量下的水面线后，根据桩号位置在曲线上查出多组上游水位和下游水位数据，带入公式获得拟合系数b、c以及d的值，得出量水槽上游水位H上与量水槽下游水位H下关系式。
湍动能k公式如下：
湍流强度I公式如下：
式中，u为湍流脉动速度，为湍流平均速度，为按水力直径计算得到的雷诺数，按等效水力直径确定。
湍动能耗散率ε的计算式：
式中，Cμ取0.09，l为湍流长度尺度，l＝0.07N，N为关联尺寸,可取水力直径。
接下里定义出口边界out为压力出口边界(PRESSURE OUTLET)，其紊流扩展选项同样需要输入湍动能k及湍动能耗散率ε两项的值，选择方式和计算方法同上。
渠道整个底部及边壁和上表面(即划分好的wall1，wall2，wall3和up)设置为固壁边界(Wall)，然后双击边界条件，在弹出来的对话框中设置无滑移选项，勾选ShearCondition选项中的no slip(无滑移)即可；近壁面采用标准壁函数法处理，即勾选WallMotion选项中的Stationary Wall。
③流场初始化。单击左侧菜单栏中Solution Initialization(求解初始化)选项，在右侧出现的选项框中找到Compute from(从哪开始计算)选项，在其下拉选项中选择in，即从进口开始进行初始化。然后单击Initialization(初始化)进行流场初始化。
④开始计算。单击Run Calculation选项，在Time Step Size(时间步长)中输入10000(该数值为自己按模型尺寸来取，模型尺寸越大取值应尽量取大。一旦计算结果收敛会自动停止计算，取值合理即可)。点击Calculate进行计算。
计算结果可显示渠道各个纵断面的水面线，以选择渠道中心纵向断面位置为例，将其导入origin绘图软件中为其加上坐标系。
根据测量水位桩号的位置，导出相应位置的一个上游水位和一个下游水位，为一组数据，将其带入上游水位和下游水位关系式中，可得到一个含有未知系数的方程，此为一种流量的情况。再改变流量(即在流速入口边界的速度也随之修改)，可得到不同流量下的上游水位和下游水位数据，同样可得到多个含有未知系数的方程，通过解这些方程得出各个系数的值，最后可得出量水槽上游水位H上与量水槽下游水位H下关系式，
按照同种方法进行拟合，得到量水槽上游水位H上与量水槽的流量Q的关系式。
在应用时，我们只需读取实际渠道中的下游水位H下，带入拟合的公式中即可得到上游水位H上。再将上游水位带到已知的量水槽流量公式(其中的系数可按照同种方法进行拟合得到)中，即可算出流量Q。
在本实施例中，通过CFD软件的数值模拟和数据拟合，获得量水槽上游水位H上与量水槽的流量Q的关系式：
H上＝bH下 c+d
其中，b、c、d均为系数，由CFD软件数值模拟和数据拟合确定；
通过CFD软件的数值模拟和数据拟合，获得矩形渠道恒成号支渠的流量Q：
将g＝9.8m/s2，Bc＝1.08m代入上述公式，根据下游水位值获得矩形渠道恒成号支渠的上游水位值和流量值。
由上述方法可见，不需要在实测的矩形渠道中建立量水槽，通过读取实测的下游水位就可以确定上游水位和通过渠道的流量。

Claims (8)

1.基于临界水深槽工作原理的矩形渠道无槽量水方法，其特征是：包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，
步骤一、获得矩形渠道的底宽、渠深、渠道比降、渠道设计流量、渠道加大流量以及渠道最小流量，根据预设置机翼形量水槽的位置选定量水槽的上游水位测点的渠道桩号和量水槽下游水位测点的渠道桩号；
步骤二、获得底宽0.6m的模型矩形渠道比降与机翼形量水槽喉口收缩比关系表；
步骤三、根据重力相似准则以及佛汝德准则，获得矩形渠道的几何长度比尺λL；
所述几何长度比尺λL为矩形渠道的底宽与模型矩形渠道的底宽的比值；
步骤四、根据流量比尺λQ与几何长度比尺λL关系式获得矩形渠道的流量比尺λQ；
步骤五、根据步骤二中获得的模型矩形渠道比降与机翼形量水槽喉口收缩比关系表和步骤四中获得的矩形渠道的流量比尺λQ获得矩形渠道比降与机翼形量水槽喉口收缩比关系表；
步骤六、根据步骤一中获得的渠道比降和渠道设计流量，通过步骤五中获得的矩形渠道比降与机翼形量水槽喉口收缩比关系表，获得机翼形量水槽的收缩比；
步骤七、根据步骤一中获得的矩形渠道的底宽和步骤六中获得的机翼形量水槽的收缩比，利用翼高P的公式以及翼长L的公式获得机翼形量水槽的翼高P和翼长L；
步骤八、根据步骤七中获得的机翼形量水槽的翼高P和翼长L，获得翼形曲线方程y；
步骤九、根据矩形渠道的底宽和机翼形量水槽的翼高P，利用喉口宽度Bc的公式，获得机翼形量水槽的喉口宽度Bc；
步骤十、利用计算流体动力学分析CFD软件，根据翼形曲线方程以及底宽、渠深、渠道比降在CFD软件中建立修建量水槽后的渠道模型，
按照固定的数值间隔设置渠道流量的数值，设置的渠道流量的数值介于渠道加大流量和渠道最小流量之间，通过量水槽上游水位与量水槽下游水位关系式，由CFD软件数值模拟和数据拟合获得量水槽上游水位与量水槽下游水位关系式中系数b、c以及d的值；
在CFD软件中，通过量水槽上游水位以及通过量水槽的流量Q关系式，由CFD软件数值模拟和数据拟合获得量水槽的流量Q关系式中系数a和n的值；
步骤十一、根据步骤一中选定的渠道桩号处设置水位测井，获得量水槽下游水位，
步骤十二、根据步骤十中的量水槽上游水位与量水槽下游水位关系式和步骤十中获得的量水槽下游水位，获得量水槽上游水位；
步骤十三、根据步骤十二中获得的量水槽上游水位和步骤九中获得的机翼形量水槽的喉口宽度Bc，通过量水槽的流量Q关系式获得通过量水槽的流量Q。
2.根据权利要求1所述的基于临界水深槽工作原理的矩形渠道无槽量水方法，其特征是：所述步骤四中流量比尺λQ与几何长度比尺λL关系式如下：
3.根据权利要求1所述的基于临界水深槽工作原理的矩形渠道无槽量水方法，其特征是：所述步骤七中翼高P的公式为：
P＝B*(1-ε)/2，
其中，B表示渠道底宽，ε表示收缩比。
4.根据权利要求1所述的基于临界水深槽工作原理的矩形渠道无槽量水方法，其特征是：所述步骤七中机翼形量水槽的翼长L的公式为：
L＝5*P
其中，P表示机翼形量水槽的翼高。
5.根据权利要求1所述的基于临界水深槽工作原理的矩形渠道无槽量水方法，其特征是：所述步骤八中翼形曲线y如下：
其中，其中，P为翼高，单位为m；L为翼长，单位为m；x表示翼形曲线在直角坐标系中的横坐标；y表示翼形曲线在直角坐标系中的纵坐标。
6.根据权利要求1所述的基于临界水深槽工作原理的矩形渠道无槽量水方法，其特征是：所述步骤九中喉口宽度Bc的公式为：Bc＝B-2P，
其中B表示渠道底宽，P表示机翼形量水槽的翼高。
7.根据权利要求1所述的基于临界水深槽工作原理的矩形渠道无槽量水方法，其特征是：所述步骤十中量水槽上游水位与量水槽下游水位关系式为：
H上＝bH下 c+d
其中，b、c、d均为系数，由CFD软件数值模拟和数据拟合确定，H上表示上游水位；H下表示下游水位。
8.根据权利要求1所述的基于临界水深槽工作原理的矩形渠道无槽量水方法，其特征是：所述步骤十中量水槽的流量Q关系式为：
其中，a、n为系数，由CFD软件数值模拟和数据拟合确定，g表示重力加速度，取值为9.8m/s2，Bc表示喉口宽度，单位为m，H上表示上游水位。
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