CN111830286B - 一种升降式三维流速计标定水槽及其标定流速的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种升降式三维流速计标定水槽及其标定流速的方法，从下到上依次设有蓄水箱、支撑平台、坡度调节装置和高位水槽，高位水槽包括上游水槽和下游水槽，两者通过射流管嘴相连通；上游水槽包括上游水位调节板、上游稳流消波装置、上游导轨和上游水位测量装置，下游水槽包括待标定流速计、下游稳流消波装置、下游导轨、下游水位调节板和下游水位测量装置；待标定流速计通过激光定位组件和三坐标定位装置使其置于射流核心区。本发明不仅可以根据上下游的水面高差得到理论流速，还能根据待标定流速计测量得到实际的水流速度，通过比较两种流速得到修正系数。由于两种流速是在同一测量环境下得到的，因此修正系数误差更小，精度更准确。

Description

一种升降式三维流速计标定水槽及其标定流速的方法

技术领域

本发明属于实验装置领域，具体涉及一种升降式三维流速计标定水槽及其标定流速的方法。

背景技术

在实际流动中有一种远离固体边界的紊流，其紊动的发展不受因体边界的约束，因而不存在粘性底层，这种紊流称为自由紊流。常见的自由紊流有两种形式：(1)射流，是指从孔口等较小的断面喷射而出的一股流体；(2)尾流，是指绕过物体的流动发生脱离后，在物体下游漩涡区的流动。在通风、环境及水利等工程部门经常遇到射流问题。液体从喷管或孔口中喷出，流动不受任何固体边界的约束，称为射流。射流一般为紊流流型，具有紊动扩散作用，能进行动量、热量和质量传递。

水射流的应用起源于采矿业。早期利用水射流冲洗矿石中的泥土，蓄水运送并筛选矿石和直接用水射流冲刷煤层。而水射流的冲切能力直接与其流速相关。

实际工程中，毕托管常用于测量液体或气体的流速。一般认为，当用毕托管测量水流流速时，若流速过大，水流中容易产生掺气，当气泡进入动水管时，毕托管测量值就不准确。一般毕托管的测速范围为0.1～2.0m/s。用柱形毕托管进行测速，其最大流速可达到6m/s。对于流速在6～20m/s的高速射流的流速测量，普通毕托管不适用，而且目前又无其他合适的仪器可以测量。针式毕托管用于高速射流测量是一种看似可行的选择，但其精度如何，需要借助其他仪器予以矫正。

因此，本发明提供了一种标定与测量于一体的升降式三维流速计标定水槽，在使用时，不仅可以根据上游水槽和下游水槽的水面高度差计算得到理论的水流速度，还可以根据设置于射流核心区的毕托管测量得到实际的水流速度，通过比较两种流速得到流速的修正系数，由于两种水流速度是在同一个测量环境下得到的，因此该修正系数的误差更小，精度更准确。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的缺陷，并提供一种升降式三维流速计标定水槽及其标定流速的方法。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种升降式三维流速计标定水槽，其包括蓄水箱、支撑平台和高位水槽，所述高位水槽包括上游水槽和下游水槽，上游水槽和下游水槽通过射流管嘴相连通，所述射流管嘴可拆卸式固定于上游水槽侧壁；

所述蓄水箱箱体底部安装有若干水槽支撑脚，若干所述水槽支撑脚用于稳定蓄水箱保持水平状态；蓄水箱内设有水泵，所述水泵通过供水管道与上游水槽开设的进水孔相连通，所述供水管道上设有调节阀和流量计；所述蓄水箱顶部安装支撑平台，沿支撑平台的长度方向上设有坡度调节装置，所述坡度调节装置上安装高位水槽；

所述上游水槽包括上游水位调节板、上游稳流消波装置、上游导轨和上游水位测量装置；在上游水槽中沿水流方向依次设置上游水位调节板、上游稳流消波装置和上游水位测量装置，所述进水孔位于上游水位调节板和上游稳流消波装置之间；所述上游导轨安装于上游水槽顶部，用于连接固定上游稳流消波装置和上游水位测量装置；所述上游水位调节板的板面与水流方向垂直，上游水位调节板的两个侧边分别与上游水槽的两个侧壁封闭连接，上游水位调节板的底边与上游水槽的底板封闭连接，上游水位调节板的顶端与上游导轨留有水流通道；在上游水槽上开设有溢流口，溢流口通过溢流管道与蓄水箱连通，所述溢流口在上游水位调节板远离进水孔的一侧；

所述下游水槽包括待标定流速计、下游稳流消波装置、下游导轨、下游水位调节板和下游水位测量装置；在下游水槽中沿水流方向依次设置待标定流速计、下游稳流消波装置、下游水位测量装置和下游水位调节板；所述下游导轨安装于下游水槽顶部，用于连接固定待标定流速计、下游稳流消波装置和下游水位测量装置；

所述待标定流速计的上部安装有三坐标定位装置用于定位待标定流速计；待标定流速计与下游稳流消波装置之间还设有激光定位组件，所述激光定位组件包括第一激光发射器和第二激光发射器，第一激光发射器和第二激光发射器均能在下游导轨上移动调节位置，所述第一激光发射器发出的激光垂直向下，所述第二激光发射器包括上下位置可调节的上激光发射端和下激光发射端，上激光发射端和下激光发射端发出的激光角度可调节；所述下游水位调节板的板面与水流方向垂直，下游水位调节板的两个侧边分别与下游水槽的两个侧壁封闭连接，下游水位调节板的底边与下游水槽的底板封闭连接，下游水位调节板的顶端与下游导轨留有水流通道；在下游水槽开设有回流口，回流口通过回流管道与蓄水箱连通，所述回流口在下游水位调节板远离下游稳流消波装置的一侧；

所述上游稳流消波装置和下游稳流消波装置的结构相同，均包括竖向稳流板、横向稳流板、消波板、上梁和底梁；所述上梁置于所在水槽的顶部，并与所在水槽的导轨通过固定件连接固定；所述底梁置于所在水槽的底部，并与的底板通过防滑吸盘连接固定；所述竖向稳流板均有多块，沿所在水槽进水断面中横向间隔分布，每块竖向稳流板上端用紧固件与上梁固定连接，下端固定于底梁；每块竖向稳流板板面上设有若干个位于不同高度的内嵌滑槽；所述横向稳流板有多块，沿所在水槽的进水断面中纵向间隔分布，每块横向稳流板两端置于相邻两竖向稳流板间等高程的内嵌滑槽内，并设置锁定器加强横向稳流板与竖向稳流板的连接固定；相邻两横向稳流板与其两侧内嵌滑槽所在的两竖向稳流板之间形成可供水流流通的孔道；所述消波板通过弹性固件与上梁悬挂连接，且消波板底部平整并横跨整个进水断面。

作为优选，所述供水管道上还设有流量微调阀，用于流量微调节。

作为优选，在所述蓄水箱内还设有消气稳流装置，所述消气稳流装置位于回流管道与水泵之间，消气稳流装置由两块紊水孔板组成，两块紊水孔板之间留有一定缝隙并且两块紊水孔板上的开孔错开设置；所述紊水孔板的板面与水流方向垂直，紊水孔板的两个侧边分别与蓄水箱的两个侧壁封闭连接，紊水孔板的底边与蓄水箱的底板封闭连接，紊水孔板的顶端与蓄水箱的顶部封闭连接。

进一步的，所述紊水孔板为有机玻璃材质，与蓄水箱的封闭方式为用有机玻璃胶水粘接。

作为优选，所述射流管嘴为圆角进口。

作为优选，所述坡度调节装置包括固定支撑和升降机，沿支撑平台的长度方向，在支撑平台上一端设有固定支撑，另一端设有升降机，所述高位水槽通过固定支撑和升降机与支撑平台相连接，固定支撑和升降机能使高位水槽呈水平状态；所述固定支撑与高位水槽的连接处设有转向轴承，转向轴承随着升降机升降能发生转动调节高位水槽坡度。

作为优选，所述竖向稳流板的进水头部和出水尾部的板形均呈平滑弧形，包括流线型、钝头体型、圆柱型。

作为优选，上游稳流消波装置的全部所述竖向稳流板总厚度和下游稳流消波装置的全部所述竖向稳流板总厚度分别小于上游水槽和下游水槽宽度的1/10；上游稳流消波装置的全部所述横向稳流板总厚度和下游稳流消波装置的全部所述横向稳流板总厚度均小于水深的1/10；竖向稳流板和横向稳流板的长度均不小于所在稳流消波装置孔道水力半径的10倍。

作为优选，所述消波板为密度小于水的非亲水性材质，且消波板底面高度低于所在水槽的水位高度；所述弹性固件为阻尼弹簧。

本发明的另一目的在于提供一种使用上述方案的标定水槽标定流速的方法，包括如下步骤：

水流从蓄水箱中通过水泵和供水管道进入上游水槽，通过调节上游水位调节板调节上游水槽的水位高度，多余的水流通过溢流管道溢流回蓄水箱中；水流经过上游稳流消波装置的稳流作用后，通过上游水位测量装置测量上游水槽的水位高度，随后水流通过射流管嘴呈管嘴射流状态进入下游水槽；在下游水槽中，通过激光定位组件使待标定流速计置于射流核心区测量水流流速，随后水流通过下游稳流消波装置的稳流作用后，通过下游水位测量装置测量下游水槽的水位高度；下游水槽的水位高度通过下游水位调节板进行调节，多余的水流通过回流管回流进入蓄水箱中；

在标定过程中，通过坡度调节装置调节高位水槽的坡度以控制水流速度至目标值，然后根据上游水槽和下游水槽的水位差H计算出射流管嘴处的理论流速

基于理论流速对待标定流速计测量得到实际的水流速度进行标定；

所述通过激光定位组件使待标定流速计置于射流核心区的方法为：

第一激光发射器与射流管嘴之间的水平距离L₀通过公式计算得出：

L₀＝12.8r₀+1.2r₀＝14r₀ (1)

其中r₀为射流管嘴半径；

调节所述第二激光发射器的上激光发射端，使上激光发射端发出的激光照射到射流管嘴的出水口下端；调节所述第二激光发射器的下激光发射端，使下激光发射端发出的激光照射到射流管嘴的出水口上端；调节第二激光发射器的位置使上激光发射端和下激光发射端发出两束激光的交点与第一激光发射器发出的激光重合；第二激光发射器发出的两束激光与射流管嘴出口断面构成的三角形区域为射流核心区；通过调节三坐标定位装置，使待标定流速计置于所述射流核心区对水流流速进行测量。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

本发明提供了一种标定与测量于一体的升降式三维流速计标定水槽，在使用时，不仅可以根据上游水槽和下游水槽的水面高度差计算得到理论的水流速度，还可以根据设置于射流核心区的待标定流速计测量得到实际的水流速度，通过比较两种流速得到流速的修正系数。由于两种水流速度是在同一个测量环境下得到的，因此该修正系数的误差更小，精度更准确。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中消气稳流装置的结构示意图；

图3为本发明稳流消波装置的正视图；

图4为本发明稳流消波装置的左视图；

图5为管嘴射流的原理示意图；

图6为射流管嘴的结构剖面图，其中，(a)为圆角进口管嘴、(b)为直角进口管嘴、(c)为锥形管嘴、(d)为薄壁圆形小孔口。

图中附图说明为：水槽支撑脚1，蓄水箱2，支撑平台3，固定支撑4，转向轴承5，上游水槽6，上游水位调节板7，上游导轨8，弹性固件9，消波板10，横向稳流板11，固定件12，上梁13，竖向稳流板14，底梁15，射流管嘴17，第一激光发射器18，三坐标定位装置20，待标定流速计21，第二激光发射器22，下游导轨30，下游水槽31，下游水位调节板32，溢流管道33，供水管道34，流量计35，流量微调阀36，调节阀37，水泵38，消气稳流装置39，升降机40，回流管41。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，为本发明的一种升降式三维流速计标定水槽，该标定水槽包括蓄水箱2、支撑平台3和高位水槽。其中，高位水槽包括上游水槽6和下游水槽31，上游水槽6和下游水槽31之间通过射流管嘴17相连通，射流管嘴17固定于上游水槽6的侧壁上，为可拆卸的管嘴结构，可以根据需要进行更换。射流管嘴17的进水口优选为采用圆角进口，这是由于不同形状的进口，流量因数也不同，其中圆角进口流量因数最大，因此产生的扰动最小。

蓄水箱2箱体底部安装有若干水槽支撑脚1，水槽支撑脚1的位置上应该在箱体底部保持对称，数量优选为10个，用于稳定蓄水箱2，以使蓄水箱2保持水平状态。蓄水箱2内设有水泵38，水泵38通过供水管道34与上游水槽6开设的进水孔相连通，供水管道34上设有调节阀37和流量计35，根据需要还可以在供水管道34上设置流量微调阀36，用于微调节流量。

蓄水箱2顶部安装有支撑平台3，沿支撑平台3的长度方向上设有坡度调节装置，在坡度调节装置上安装高位水槽。

该坡度调节装置的一种优选方式为：坡度调节装置包括固定支撑4和升降机40，沿支撑平台3的长度方向，在支撑平台3上一端设有固定支撑4，另一端设有升降机40，高位水槽通过固定支撑4和升降机40与支撑平台3相连接，固定支撑4和升降机40能使高位水槽呈水平状态。固定支撑4与高位水槽的连接处设有转向轴承5，转向轴承5随着升降机40升降能发生转动调节高位水槽坡度。

除此之外，坡度调节装置还可以根据需要采用一体式升降机或者悬挂式升降机构等方式。

上游水槽6包括上游水位调节板7、上游稳流消波装置、上游导轨8和上游水位测量装置。其中，在上游水槽6中沿水流方向依次设置上游水位调节板7、上游稳流消波装置和上游水位测量装置，进水孔位于上游水位调节板7和上游稳流消波装置之间。上游导轨8安装于上游水槽6顶部，用于连接固定上游稳流消波装置和上游水位测量装置，该连接固定方式可以采用可拆卸式固定，以便后期灵活组装。

上游水位调节板7的板面与水流方向垂直，上游水位调节板7的两个侧边分别与上游水槽6的两个侧壁封闭连接，上游水位调节板7的底边与上游水槽6的底板封闭连接，上游水位调节板7的顶端与上游导轨8之间留有水流通道。在上游水槽6上开设有溢流口，溢流口通过溢流管道33与蓄水箱2连通，溢流口在上游水位调节板7远离进水孔的一侧。在通过上游水位调节板7调节上游水槽6的水位时，多余的水流可以通过该水流通道流过上游水位调节板7，通过溢流管道33溢流回蓄水箱2中。

下游水槽31包括待标定流速计21、下游稳流消波装置、下游导轨30、下游水位调节板32和下游水位测量装置。其中，在下游水槽31中沿水流方向依次设置待标定流速计21、下游稳流消波装置、下游水位测量装置和下游水位调节板32。下游导轨30安装于下游水槽31顶部，用于连接固定待标定流速计21、下游稳流消波装置和下游水位测量装置，该连接固定方式可以采用可拆卸式固定，以便后期灵活组装。

待标定流速计21的上部安装有三坐标定位装置20，通过三坐标定位装置20可以将待标定流速计21的位置根据需要在空间三维方向上进行调节，来定位待标定流速计21。待标定流速计21与下游稳流消波装置之间还设有激光定位组件，该激光定位组件包括第一激光发射器18和第二激光发射器22，第一激光发射器18和第二激光发射器22均能在下游导轨30上移动来进行位置调节。第一激光发射器18发出的激光垂直向下，第二激光发射器22包括上下位置可调节的上激光发射端和下激光发射端，上激光发射端和下激光发射端发出激光的角度可根据需要调节。

下游水位调节板32的板面与水流方向垂直，下游水位调节板32的两个侧边分别与下游水槽31的两个侧壁封闭连接，下游水位调节板32的底边与下游水槽31的底板封闭连接，下游水位调节板32的顶端与下游导轨30留有水流通道。在下游水槽31开设有回流口，回流口通过回流管道41与蓄水箱2连通，回流口在下游水位调节板32远离下游稳流消波装置的一侧。在通过下游水位调节板32调节下游水槽31的水位时，多余的水流可以通过该水流通道流过下游水位调节板32，通过回流管道41溢流回蓄水箱2中。

上游稳流消波装置和下游稳流消波装置的结构相同，均包括竖向稳流板14、横向稳流板11、消波板10、上梁13和底梁15。上游稳流消波装置和下游稳流消波装置的上梁13分别置于上游水槽6和下游水槽31的顶部，并分别与上游导轨8和下游导轨30通过固定件12连接固定。上游稳流消波装置和下游稳流消波装置的底梁15分别置于上游水槽6和下游水槽31的底部，分别与上游水槽6和下游水槽31的底板通过防滑吸盘连接固定。上游稳流消波装置和下游稳流消波装置的竖向稳流板14均有多块，分别在上游水槽6和下游水槽31的进水断面中沿横向间隔分布，每块竖向稳流板14上端用紧固件与上梁13固定连接，下端固定于底梁15。每块竖向稳流板14板面上设有若干个位于不同高度的内嵌滑槽，上游稳流消波装置和下游稳流消波装置的横向稳流板11均有多块，分别在上游水槽6和下游水槽31的进水断面中沿纵向间隔分布，每块横向稳流板11两端置于相邻两竖向稳流板14间等高程的内嵌滑槽内，并设置锁定器加强横向稳流板11与竖向稳流板14的连接固定。相邻两横向稳流板11与其两侧内嵌滑槽所在的两竖向稳流板14之间形成可供水流流通的孔道，消波板10通过弹性固件9与上梁13悬挂连接，且消波板10底部平整并横跨整个进水断面。

其中，竖向稳流板14的进水头部和出水尾部的板形均呈平滑弧形，包括流线型、钝头体型、圆柱型。上游稳流消波装置的全部竖向稳流板14总厚度和下游稳流消波装置的全部竖向稳流板14总厚度分别小于上游水槽6和下游水槽31宽度的1/10；上游稳流消波装置的全部横向稳流板11总厚度和下游稳流消波装置的全部横向稳流板11总厚度均小于水深的1/10；竖向稳流板14和横向稳流板11的长度均不小于所在稳流消波装置孔道水力半径的10倍。消波板10为密度小于水的非亲水性材质，且消波板10底面高度低于所在水槽的水位高度；弹性固件9为阻尼弹簧。

该稳流消波装置的原理如下：

流体的两种流态，具有不同的运动特性。层流，流层间没有质点混掺，质点作有序的直线运动；紊流则相反，流层间质点混掺，为无序的随机运动。层流遵循牛顿内摩擦定律，其能量损失与流速一次方成正比。紊流受粘性和紊动共同作用，其阻力比层流大得多,紊流能量损失与流速的1.75至2次方成正比。

雷诺数计算公式：

式中：v——流体流速；ν——流体粘度；D——水力半径；Q——过流流量。

在进行试验时，水流的稳定度直接与提供流量、流速、粘度、水力半径等影响，要想取得一个快速稳定的水体，有一种方法是降低该水体的雷诺数，降低其紊动程度，但如何降低雷诺数？依据上述雷诺公式及实验条件：水流流量Q、流速v、粘度ν等指标均无法改变，要想达到降低雷诺数，唯一可降低的，就是改变该水体的水力半径d。

该稳流消波装置就是利用装置中的竖向稳流板14、横向稳流板11，将水体分割成多个独立的过流通道，在流速、流量、粘度都不变的前提之下，减小湿周，从而达到减小水力半径的目的，最终起到降低该股水流雷诺数——降低紊动度——快速稳定水体的目的。

在蓄水箱2内还设有消气稳流装置39，消气稳流装置39位于回流管道41与水泵38之间，消气稳流装置39由两块紊水孔板组成，两块紊水孔板之间留有一定缝隙并且两块紊水孔板上的开孔错开设置。紊水孔板的板面与水流方向垂直，紊水孔板的两个侧边分别与蓄水箱2的两个侧壁封闭连接，紊水孔板的底边与蓄水箱2的底板封闭连接，紊水孔板的顶端与蓄水箱2的顶部封闭连接。该紊水孔板可以采用有机玻璃材质，紊水孔板与蓄水箱2的封闭方式可以采用有机玻璃胶水粘接。采用消气稳流装置39主要用于消除从回流管道41回水时，由于水流冲击产生的气泡，以免水泵在抽水时抽取的水流中混有大量气泡，这是由于混有大量气泡的水流在进入高位水槽中会因气压的变化上浮破裂，这对高位水槽中水位测量会产生较大误差。

上述方案中的标定水槽在使用时的标定方法如下：

水流从蓄水箱2中通过水泵38和供水管道34进入上游水槽6，通过调节上游水位调节板7调节上游水槽6的水位高度，多余的水流通过溢流管道33溢流回蓄水箱2中。水流经过上游稳流消波装置的稳流作用后，通过上游水位测量装置测量上游水槽6的水位高度，随后水流通过射流管嘴17呈管嘴射流状态进入下游水槽31。在下游水槽31中，通过激光定位组件使待标定流速计21置于射流核心区测量水流流速，随后水流通过下游稳流消波装置的稳流作用后，通过下游水位测量装置测量下游水槽31的水位高度。下游水槽31的水位高度通过下游水位调节板32进行调节，多余的水流通过回流管41回流进入蓄水箱2中。

在标定过程中，通过坡度调节装置调节高位水槽的坡度以控制水流速度至目标值，然后根据上游水槽6和下游水槽31的水位差H计算出射流管嘴17处的理论流速

基于理论流速对待标定流速计测量得到实际的水流速度进行标定。若标定流速计21具有多个待标定流速，可以通过坡度调节装置调节水槽中的流速至不同的值，分别进行标定。

所述通过激光定位组件使待标定流速计21置于射流核心区的方法为：

首先，第一激光发射器18与射流管嘴17之间的水平距离L₀通过公式(1)计算得出：

L₀＝12.8r₀+1.2r₀＝14r₀ (1)

其中r₀为射流管嘴半径；

然后，调节所述第二激光发射器22的上激光发射端，使上激光发射端发出的激光照射到射流管嘴17的出水口下端；调节所述第二激光发射器22的下激光发射端，使下激光发射端发出的激光照射到射流管嘴17的出水口上端；调节第二激光发射器22的位置使上激光发射端和下激光发射端发出两束激光的交点与第一激光发射器18发出的激光重合；第二激光发射器22发出的两束激光与射流管嘴17出口断面构成的三角形区域为射流核心区；通过调节三坐标定位装置20，使待标定流速计21置于所述射流核心区对水流流速进行测量。

本发明将待标定流速计21置于射流核心区的原理如下：

假设射流从喷嘴射出，流入静止的相同种类流体中。具有一定流速u的射流离开喷嘴边界后，与周围静止流体之间就形成一个速度不连续的间断面，如图5所示。这个间断面是不稳定的，面上的波动发展形成涡旋，产生强烈的紊动，将邻近处原来静止的流体卷吸到射流中，两者掺混在一起共同向前运动。其结果是射流边界不断向外扩展，断面不断扩大，流量也沿程逐渐增加。同时，由于静止流体掺入发生动量交换而产生阻滞作用，使得原射流边界部分的流速降低。这种掺混减速作用沿程逐渐向射流内部扩展，经一定距离即达到射流的中心轴线，以后整个射流都成为紊动射流。

上述射流由喷口边界向内外扩展的紊动掺混部分为紊流边界层混合区。中心部分未受到掺混影响，保持原来出口速度，称为射流核心区。从出口至核心区终了的一段，称为射流的初始段。紊动充分发展以后的射流，称为射流的主体段。主体段与初始段之间有一过渡段，过渡段较短，在分析中为简化起见常予以忽略，只把射流分为初始段和主体段。

由测量知极点与射流出口断面距离为1.2r₀，当u_m＝u₀，x＝12.8r₀，因此射流初始段的长度为

L₀＝12.8r₀+1.2r₀＝14r₀ (1)

其中，r₀——射流管嘴半径，u_m——过渡区轴心处流速，u₀——边界混合区流速，x——射流长度。

因此，通过将第一激光发射器18与射流管嘴17之间的水平距离L₀与射流初始段的长度L相等，调节第二激光发射器22的位置使上激光发射端和下激光发射端发出两束激光的交点与第一激光发射器18发出的激光重合。也就是第二激光发射器22发出的两束激光与射流管嘴17出口断面构成的三角形区域就是为射流核心区。射流核心区中的理论流速可以根据其水头高度直接换算，无需用其他设备测量，进而可以方便地对待标定流速计21进行标定。通过比较实测流速和理论流速计算出修正系数。而且由于两种水流速度是在同一个测量环境下得到的，因此该修正系数的误差更小，精度更准确。

射流管嘴17应采用符合水流形态的流线型、折线型、圆柱型等形式设计，其中以流线型为最优方案。

在一定水头H₀作用下薄壁小孔口或管嘴自由出流时的流量，可用下式计算：

式中：

一般因行近流速水头

很小可忽略不计，所以H₀＝H；

ε为收缩因数，

A_c、d_c分别为收缩断面的面积、直径，A、d分别为出口断面的面积、直径；

为流速因数，

μ为流量因数，

ζ为局部阻力因数，

可近似取动能修正因数α≈1.0。

ε、μ、

ζ的经验值如图6所示。

根据理论分析，直角进口圆柱形外管嘴收缩断面处的真空度为：

实验时，只要测出孔口及管嘴的位置高程和收缩断面直径，读出作用水头H，测出流量，就可测定、验证上述各因数。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种使用升降式三维流速计标定水槽标定流速的方法，其特征在于，所述升降式三维流速计标定水槽包括蓄水箱（2）、支撑平台（3）和高位水槽，所述高位水槽包括上游水槽（6）和下游水槽（31），上游水槽（6）和下游水槽（31）通过射流管嘴（17）相连通，所述射流管嘴（17）可拆卸式固定于上游水槽（6）侧壁；

所述蓄水箱（2）箱体底部安装有若干水槽支撑脚（1），若干所述水槽支撑脚（1）用于稳定蓄水箱（2）保持水平状态；蓄水箱（2）内设有水泵（38），所述水泵（38）通过供水管道（34）与上游水槽（6）开设的进水孔相连通，所述供水管道（34）上设有调节阀（37）和流量计（35）；所述蓄水箱（2）顶部安装支撑平台（3），沿支撑平台（3）的长度方向上设有坡度调节装置，所述坡度调节装置上安装高位水槽；

所述上游水槽（6）包括上游水位调节板（7）、上游稳流消波装置、上游导轨（8）和上游水位测量装置；在上游水槽（6）中沿水流方向依次设置上游水位调节板（7）、上游稳流消波装置和上游水位测量装置，所述进水孔位于上游水位调节板（7）和上游稳流消波装置之间；所述上游导轨（8）安装于上游水槽（6）顶部，用于连接固定上游稳流消波装置和上游水位测量装置；所述上游水位调节板（7）的板面与水流方向垂直，上游水位调节板（7）的两个侧边分别与上游水槽（6）的两个侧壁封闭连接，上游水位调节板（7）的底边与上游水槽（6）的底板封闭连接，上游水位调节板（7）的顶端与上游导轨（8）留有水流通道；在上游水槽（6）上开设有溢流口，溢流口通过溢流管道（33）与蓄水箱（2）连通，所述溢流口在上游水位调节板（7）远离进水孔的一侧；

所述下游水槽（31）包括待标定流速计（21）、下游稳流消波装置、下游导轨（30）、下游水位调节板（32）和下游水位测量装置；在下游水槽（31）中沿水流方向依次设置待标定流速计（21）、下游稳流消波装置、下游水位测量装置和下游水位调节板（32）；所述下游导轨（30）安装于下游水槽（31）顶部，用于连接固定待标定流速计（21）、下游稳流消波装置和下游水位测量装置；

所述待标定流速计（21）的上部安装有三坐标定位装置（20）用于定位待标定流速计（21）；待标定流速计（21）与下游稳流消波装置之间还设有激光定位组件，所述激光定位组件包括第一激光发射器（18）和第二激光发射器（22），第一激光发射器（18）和第二激光发射器（22）均能在下游导轨（30）上移动调节位置，所述第一激光发射器（18）发出的激光垂直向下，所述第二激光发射器（22）包括上下位置可调节的上激光发射端和下激光发射端，上激光发射端和下激光发射端发出的激光角度可调节；所述下游水位调节板（32）的板面与水流方向垂直，下游水位调节板（32）的两个侧边分别与下游水槽（31）的两个侧壁封闭连接，下游水位调节板（32）的底边与下游水槽（31）的底板封闭连接，下游水位调节板（32）的顶端与下游导轨（30）留有水流通道；在下游水槽（31）开设有回流口，回流口通过回流管道（41）与蓄水箱（2）连通，所述回流口在下游水位调节板（32）远离下游稳流消波装置的一侧；

所述上游稳流消波装置和下游稳流消波装置的结构相同，均包括竖向稳流板（14）、横向稳流板（11）、消波板（10）、上梁（13）和底梁（15）；所述上梁（13）置于所在水槽的顶部，并与所在水槽的导轨通过固定件（12）连接固定；所述底梁（15）置于所在水槽的底部，并与的底板通过防滑吸盘连接固定；所述竖向稳流板（14）均有多块，沿所在水槽进水断面中横向间隔分布，每块竖向稳流板（14）上端用紧固件与上梁（13）固定连接，下端固定于底梁（15）；每块竖向稳流板（14）板面上设有若干个位于不同高度的内嵌滑槽；所述横向稳流板（11）有多块，沿所在水槽的进水断面中纵向间隔分布，每块横向稳流板（11）两端置于相邻两竖向稳流板（14）间等高程的内嵌滑槽内，并设置锁定器加强横向稳流板（11）与竖向稳流板（14）的连接固定；相邻两横向稳流板（11）与其两侧内嵌滑槽所在的两竖向稳流板（14）之间形成可供水流流通的孔道；所述消波板（10）通过弹性固件（9）与上梁（13）悬挂连接，且消波板（10）底部平整并横跨整个进水断面；

所述标定流速的方法包括如下步骤：

水流从蓄水箱（2）中通过水泵（38）和供水管道（34）进入上游水槽（6），通过调节上游水位调节板（7）调节上游水槽（6）的水位高度，多余的水流通过溢流管道（33）溢流回蓄水箱（2）中；水流经过上游稳流消波装置的稳流作用后，通过上游水位测量装置测量上游水槽（6）的水位高度，随后水流通过射流管嘴（17）呈管嘴射流状态进入下游水槽（31）；在下游水槽（31）中，通过激光定位组件使待标定流速计（21）置于射流核心区测量水流流速，随后水流通过下游稳流消波装置的稳流作用后，通过下游水位测量装置测量下游水槽（31）的水位高度；下游水槽（31）的水位高度通过下游水位调节板（32）进行调节，多余的水流通过回流管道（41）回流进入蓄水箱（2）中；

在标定过程中，通过坡度调节装置调节高位水槽的坡度以控制水流速度至目标值，然后根据上游水槽（6）和下游水槽（31）的水位差H计算出射流管嘴（17）处的理论流速

，基于理论流速对待标定流速计测量得到实际的水流速度进行标定；

所述通过激光定位组件使待标定流速计（21）置于射流核心区的方法为：

第一激光发射器（18）与射流管嘴（17）之间的水平距离L₀通过公式（1）计算得出：

其中r₀为射流管嘴半径；

调节所述第二激光发射器（22）的上激光发射端，使上激光发射端发出的激光照射到射流管嘴（17）的出水口下端；调节所述第二激光发射器（22）的下激光发射端，使下激光发射端发出的激光照射到射流管嘴（17）的出水口上端；调节第二激光发射器（22）的位置使上激光发射端和下激光发射端发出两束激光的交点与第一激光发射器（18）发出的激光重合；第二激光发射器（22）发出的两束激光与射流管嘴（17）出口断面构成的三角形区域为射流核心区；通过调节三坐标定位装置（20），使待标定流速计（21）置于所述射流核心区对水流流速进行测量。

2.根据权利要求1所述的标定流速的方法，其特征在于，所述供水管道（34）上还设有流量微调阀（36），用于流量微调节。

3.根据权利要求1所述的标定流速的方法，其特征在于，在所述蓄水箱（2）内还设有消气稳流装置（39），所述消气稳流装置（39）位于回流管道（41）与水泵（38）之间，消气稳流装置（39）由两块紊水孔板组成，两块紊水孔板之间留有一定缝隙并且两块紊水孔板上的开孔错开设置；所述紊水孔板的板面与水流方向垂直，紊水孔板的两个侧边分别与蓄水箱（2）的两个侧壁封闭连接，紊水孔板的底边与蓄水箱（2）的底板封闭连接，紊水孔板的顶端与蓄水箱（2）的顶部封闭连接。

4.根据权利要求3所述的标定流速的方法，其特征在于，所述紊水孔板为有机玻璃材质，与蓄水箱（2）的封闭方式为用有机玻璃胶水粘接。

5.根据权利要求1所述的标定流速的方法，其特征在于，所述射流管嘴（17）为圆角进口。

6.根据权利要求1所述的标定流速的方法，其特征在于，所述坡度调节装置包括固定支撑（4）和升降机（40），沿支撑平台（3）的长度方向，在支撑平台（3）上一端设有固定支撑（4），另一端设有升降机（40），所述高位水槽通过固定支撑（4）和升降机（40）与支撑平台（3）相连接，固定支撑（4）和升降机（40）能使高位水槽呈水平状态；所述固定支撑（4）与高位水槽的连接处设有转向轴承（5），转向轴承（5）随着升降机（40）升降能发生转动调节高位水槽坡度。

7.根据权利要求1所述的标定流速的方法，其特征在于，所述竖向稳流板（14）的进水头部和出水尾部的板形均呈平滑弧形，包括流线型、钝头体型、圆柱型。

8.根据权利要求1所述的标定流速的方法，其特征在于，所述竖向稳流板（14）的总厚度和下游稳流消波装置的全部所述竖向稳流板（14）总厚度分别小于上游水槽（6）和下游水槽（31）宽度的1/10；上游稳流消波装置的全部所述横向稳流板（11）总厚度和下游稳流消波装置的全部所述横向稳流板（11）总厚度均小于水深的1/10；竖向稳流板（14）和横向稳流板（11）的长度均不小于所在稳流消波装置孔道水力半径的10倍。

9.根据权利要求1所述的标定流速的方法，其特征在于，所述消波板（10）为密度小于水的非亲水性材质，且消波板（10）底面高度低于所在水槽的水位高度；所述弹性固件（9）为阻尼弹簧。

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