CN114117965A - 一种基于两侧半圆柱矩形槽比降效应的灌区渠道测流法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于两侧半圆柱矩形槽比降效应的灌区渠道测流法，包括先对数值模拟的方法进行验证，通过对不同比降矩形槽进行数值计算和物理试验并进行数据分析与对比，得到精确的CFD设置方法。再通过得出的CFD设置方法对不同比降的两侧半圆柱矩形槽进行数值模拟，计算完成后输出不同比降、收缩度和流量条件下的水深和收缩过流宽度，通过SPSS和Origin进行数据处理得到新的流量预测公式。在CFD数值计算时，引入云计算以提高CFD的计算精度和效率。将两侧半圆柱矩形槽安置在任意比降条件下的渠道中，待水流稳定后测得水深和对应的比降值带入考虑比降效应的流量公式即可得到实时的渠道流量。本发明能够准确地测试渠道流量，操作便捷，制作廉价，适应性强。

Description

一种基于两侧半圆柱矩形槽比降效应的灌区渠道测流法

技术领域

本发明涉及一种基于两侧半圆柱矩形槽比降效应的灌区渠道测流法，属于水利工程领域。

背景技术

灌区用水管理对灌区的建设至关重要，灌区用水管理主要指灌溉水量、流量和灌水时间的合理调节与分配，从而发挥灌排工程效益、有效地利用灌溉水源、提高灌水质量和效率、促进农业稳产高产。近年来国家大力主导灌区智慧化、智能化发展，其内在含义在于通过先进技术改革灌区的传统作业方式，那么精确测试灌区的各项基本参数就显得尤为重要，只有当灌溉水量和渠道流量测试准确了，才能真正意义上实现灌区智慧化和智能化。

目前灌区量水常用的方法有：利用渠系建筑物量水；利用特设的量水设施量水；利用流速仪测水等。(一)利用渠系建筑物量水是指利用闸门、渡槽、倒虹吸或跌水建筑物来量水，该类方法测量要求较高，建筑物本身不能有损坏、变形、漏水、淤积、阻塞等现象的发生，并且内部测试设备校准和维护均比较困难，测试方法繁琐，不利于应用。此外，利用渠系建筑物来量水，在工程中应用首当其冲的任务就是建造对应的建筑物，需要花费大量的人力、物力和财力。(二)利用特设的量水设置来量水主要包括四种方式：其一，利用U形渠道平底抛物线无喉段量矩形槽来测量水量，该方法存在一定的缺陷，其预测流量的精度较差，因为在系数校核时并未考虑尺度效应，在模型尺度上校核的流量系数应用到原型尺度上势必不准，速度系数存在很大的经验性，并且适用范围较小，只能用于平底渠道并且一旦建造将无法移动；其二，巴歇尔量矩形槽，也是一种由明渠收缩构成的量水设施，其测流条件苛刻，设计和安装要求高，测量误差大；其三，三角形量水堰，其结构简单，造价低廉，测试方便，精度相对较高，但是过水能力较小，计算复杂，通用性较差；其四，梯形量水堰，其结构简单，造价便宜，测试方便，但当堰前水位雍高时，水质较差的渠道中会造成淤积和拥堵，只能用于清水中测流，在安装和使用对使用人员的技术要求较高，推广性较差；利用流速仪测流法，其测流过程繁琐、花费时间较长、测量精度较差，很难在灌区中推广使用。随着现代化进程的加快，超声波流量计、电磁流量计等也能在灌区中有所应用，但其造价昂贵，维护保养成本高，局限了其在灌区中广泛应用。那么如何简单准确地测试灌区的渠道流量成为一个难题。国内外学者在矩形水槽中设置阻碍物，使得水槽中形成临界流，包括三面体、圆柱体和半圆柱体等，通过量纲分析或列写能量方程提出测流理论公式，测得相应的参数即可达到测流的目的。其中，通过两侧半圆柱的矩形槽测试流量是一种较简便、高精度的测流方法，具有较强的适用性，较适用于灌区各级渠道的流量测试，更重要的是相较三面体和圆柱体等阻碍物，两侧半圆柱体下流的水流对上游扰动较小，但是需要事先确定流量与两侧半圆柱前水深的关系系数，并且灌区中渠系比降也是制约两侧半圆柱矩形槽测流精度的重要因素，通常采用模型试验的方法来确定流量与两侧半圆柱前水深的关系，此率定方法工作量较大、限制条件诸多、误差很难满足精度要求，并且理论公式的推导中很难考虑渠系比降的影响，综上两侧半圆柱的矩形槽测流法不具备实用价值。随着流体动力学(CFD)和云计算技术的快速发展，由于其具有建模便捷、可直接对原型进行模拟、试验重复性较好等优点，数值模拟成为另一种有效地研究手段。但是现有技术中还没有利用数值试验手段对两侧半圆柱矩形槽流量的预测方法。中国专利CN201910015788.6公开了一种通过CFD预测湿室型泵站临界淹没深度的方法，该专利中利用CFD预测了泵站临界淹没深度，但是其方法不能用于预测中心圆柱矩形槽的流量，CN201811325431.X公开了一种预测大型低扬程水泵流量的方法，该专利中利用CFD结合差压测流法预测了大型低扬程水泵流量，同样其方法也不能用于本申请的渠道流量测试。因此，如何利用CFD方法来提高两侧半圆柱矩形槽的测流精度，充分考虑比降对测流精度的影响，使其能够准确测试灌区渠道流量是一个非常值得研究的课题，以提高两侧半圆柱矩形槽测流法在复杂地形灌区中的适用性，这将更加促进灌区实现智慧灌溉的建设进程。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于两侧半圆柱矩形槽比降效应的预测灌区中渠道流量的方法，能够简便、准确地预测出灌水渠道在不同比降条件下的实时流量，有效地避免了灌溉水源的浪费和提高了灌水的质量和效率。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种基于两侧半圆柱矩形槽比降效应的预测灌区中渠道流量的方法，渠道流量物理试验模型包括矩形槽，矩形槽设有进口和出口，在靠近矩形槽出口处矩形槽两侧设有半圆柱，在进口处下方安装有可升降装置，出口处铰接在支架上，包括以下步骤：

步骤1：建立两侧半圆柱矩形槽的物理试验模型并进行物理模型试验，试验中将矩形槽出口断面的底边固定，将矩形槽进口逐渐抬高，矩形槽底面与水平面的夹角为θ，θ的正切值即tαnθ为比降m％，以考虑矩形槽比降对水流流动的影响，试验中m％取值为0％和0.5％，每个比降m％对应两个收缩度分别进行试验，当水流流动稳定后采集两侧半圆柱正前端淹没水深的高度h；

步骤2：对物理模型试验的比降为0％和0.5％的两侧半圆柱矩形槽在与试验相同的两个收缩度条件下进行数值模拟计算，建立两侧半圆柱矩形槽的几何模型，并进行划分网格，输出计算文件，导入Fluent进行数值计算，导出计算结果，通过CFD-Post进行后处理，采集数据；

步骤3：从步骤2中若干数值计算结果找出与步骤1测试水深相近的计算工况，输出对应的网格尺寸、湍流模型、数值算法；

步骤4：对需要测流的矩形断面的渠道进行实地勘测，量测渠道底宽W，对步骤1中模型进行放大得到原型两侧半圆柱矩形槽，放大倍数λ＝W/Β，B为步骤1中模型矩形槽底宽；

步骤5：对步骤4中带两侧半圆柱矩形槽的原型在不同收缩度和不同比降条件下分别进行几何建模及CFD计算，采用CFD-Post对原型CFD计算结果进行后处理，输出不同工况条件下圆柱正前端淹没水深h、流道收缩后的过流宽度Βc及对应的计算流量Q，下标c表示收缩条件；

步骤6：采用SPSS软件对步骤5输出的两半圆柱正前端淹没水深h、流道收缩后的过流宽度Β_c及对应的计算流量Q结合理论公式

进行非线性处理，分别输出不同比降m％条件下的系数α和β，再采用Origin对系数α、β与m进行拟合分析并输出其函数关系；

步骤7：系数α与m的关系表现形式为二次项α＝Α₁m²+Β₁m+C₁，系数β与m的关系表现形式为二次项β＝Α₂m²+Β₂m+C₂，其中Α₁，Α₂，Β₁，Β₂，C₁，C₂为列项系数，将系数α和β带入理论公式

即可得到考虑比降影响的矩形槽实时流量的表达式为：

步骤8：适应性地将步骤4中的原型两侧半圆柱矩形槽安置在渠道中，当水流稳定后，测得两侧半圆柱正前端淹没水深h₀和对应的收缩后矩形槽过流宽度Β_c0及对应的渠道比降m₀％，带入步骤7中矩形槽考虑比降影响的实时流量表达式即可得到考虑比降影响的渠道实时流量。

本发明的通过一种基于两侧半圆柱矩形槽比降效应的灌区渠道测流法，包括现对数值模拟的方法进行验证，通过对矩形槽模型进行数值计算和物理试验，对圆柱正前端淹没水深进行分析与对比，得到合理的CFD数值方案包括网格剖分方式、湍流模型和数值算法；再针对实际工程1:1构建带两侧半圆柱的原型矩形槽几何模型并通过上述数值方案在不同比降及不同收缩度条件下进行CFD计算，并输出不同比降、不同收缩度条件下的两半圆柱正前端水深、对应的收缩后矩形槽宽度及计算流量，再通过SPSS软件结合理论公式进行非线性分析，得到理论公式中变量系数与比降的关系式，最后将由比降表达的变量系数带回理论公式即可得到带两侧半圆柱矩形槽在不同比降条件下的流量预测公式。本发明通过物理模型试验和相应的模型CFD数值计算进行对比，用模型试验来约束数值计算方法，再通过得出的数值计算对原型矩形槽进行计算以预测原型数据，如此使得原型数值计算的结果更科学有效，从而提高了CFD数值模拟的准确性，能够准确地预测出灌区中不同比降条件下渠道的实时流量。

优选的，所述步骤1中，两侧半圆柱矩形槽模型的材质采用透明有机玻璃，可以方便在试验过程中观察水流运动状态是否达到稳定；选取0％和0.5％两个比降进行物理模型试验，可以较好地发现对不同比降条件下的两侧半圆柱矩形槽对水流流动的影响；取两个的收缩度的两侧半圆柱矩形槽来观测水流，由于两侧半圆柱矩形槽的理论流量推导公式中未考虑水头损失，收缩度r越接近1.00时局部水头损失越明显，故限定收缩度r≤0.80，两侧半圆柱矩形槽流量的立论基础为临界流，当r越接近0.00时越不容易产生临界流，故限定收缩度r≥0.10故选择两个收缩度来判断数值模拟的精度是否满足计算要求，其中一个收缩度r接近0.00，另一个收缩度r接近1.00，具体的其取值范围分别为0.10≤r≤0.40，0.50≤r≤0.80。

优选的，所述步骤1中，矩形槽长度L不小于10D，两侧半圆柱垂直于来流正方向的直径所在过流断面距进口断面的长度Lin不小于7D、距出口断面的长度Lout不小于3D，其中D为两侧半圆柱直径，可以保证水流在矩形槽中充分流动；两侧半圆柱体以矩形槽中心面为对称面完全相同，使得水流经过收缩通道时不会因为两侧半圆柱不对称相等而破坏临界流状态。

优选的，所述步骤1中，试验流量的取值由小至大选取，随着流量逐步增大，矩形槽水深逐渐增大，当矩形槽进口水深低于矩形槽高度0.2D时停止试验，由于两侧半圆柱的阻碍，圆柱上游会形成雍水，对矩形槽进口段水深的监测，可以有效避免试验过程圆柱前端水流溢出矩形槽造成水资源的浪费，同时精简了试验流程，避免试验时间的浪费。

优选的，在所述步骤2中，选取0％和0.5％两个比降进行数值模拟，可以验证数值模拟对不同比降条件下的两侧半圆柱矩形槽数值精度，保证数值模拟方法对比降变化之后两侧半圆柱矩形槽流场模拟仍具有较高计算精度。

优选的，所述步骤2中，网格划分时采用不同尺度的六面体结构化网格，可以保证数值精度，避免网格带来的数值误差。

优选的，所述步骤2中，两侧半圆柱网格剖分时采用外拓扑结构，可以准确模拟圆柱周围的关键流场，保证两个半圆柱体正前端淹没水深的测试精度。

优选的，所述步骤2中，Fluent计算时采用VOF方法，可以有效模拟水流运动过程中与空气发生的变化过程；计算中采用的边界条件进口为速度进口、出口为压力出口、表面为压力进口、固体边界设置为wall，计算初始条件为空气占比为100％，在数值模拟求得的水深高度为后处理CFD-Post中水和空气各占50％自由液面条件下的水深，可以有效模拟水流自由出流的状态，真实还原试验中水流的运动状态，准确测试水流的实际深度。

优选的，所述步骤3中，将试验条件下的水深ht与数模条件下的水深hs进行之间的相对误差控制在7％以内，保证了数值模拟数值精度。

优选的，所述步骤5中，对两侧半圆柱矩形槽原型几何建模时选取6个收缩度即r1、r2、r3、r4、r5和r6，其中0.10≤r1≤0.20，0.20＜r2≤0.30，0.30＜r3≤0.40，0.40＜r1≤0.50，0.50＜r2≤0.60和0.60＜r3≤0.70，既降低了原型数值模拟的计算量，又最大程度地考虑了收缩度在优选范围内的适用性。

优选的，所述步骤5中，考虑了矩形槽比降与流量预测的影响，计算时将矩形槽出口断面的底边固定，将矩形槽进口逐渐抬高，矩形槽底面与水平面的夹角为θ，比降m％的值为θ的正切值即tαnθ，0.0％≤m％≤3.5％，将m％在其取值范围内以0.5％为间隔划分为等差数列，在任一比降m％分别对6个收缩度进行计算，结合灌区实际情况，将比降控制在3.5％以内，此外当矩形槽比降大于3.5％时，数值模拟将造成额外的数值误差，同时将比降m在其取值范围内以0.5％为间隔划分为等差数列分别进行数值计算，提高了考虑比降的矩形槽流量表达式的预测精度。

优选的，所述步骤5中，采用的数值方法、网格剖分方式和后处理方法与步骤3中输出的方法相同，以提高原型计算的数值精度。

优选的，在所述步骤2和步骤5中模型和原型CFD计算中引入云计算技术，可以有效提高数值计算精度和计算效率。

有益效果：本发明的一种两侧半圆柱的矩形槽预测灌区渠道流量的方法，能够简便、准确地预测出灌水渠道在不同比降条件下的实时流量，有效地避免了灌溉水源的浪费和提高了灌水的质量和效率，从而提高灌溉水利用效率，避免流量过大造成回水浪费或流量过小造成灌溉不足的现象。

附图说明

图1为基于两侧半圆柱矩形槽比降效应预测灌区渠道流量的方法的流程图；

图2为两侧半圆柱矩形槽模型简图；

图3为两侧半圆柱矩形槽网格剖分图；

图4为比降0％的两侧半圆柱矩形槽数值模拟精度验证图；

图5为比降0.5％的两侧半圆柱矩形槽数值模拟精度验证图；

图6为两侧半圆柱矩形槽数值模拟自由液面图；

图7为m＝0.0原型两侧半圆柱矩形槽中半圆柱正前端淹没水深数据采集图；

图8为m＝0.5原型两侧半圆柱矩形槽中半圆柱正前端淹没水深数据采集图；

图9为m＝1.0原型两侧半圆柱矩形槽中半圆柱正前端淹没水深数据采集图；

图10为m＝1.5原型两侧半圆柱矩形槽中半圆柱正前端淹没水深数据采集图；

图11为m＝2.0原型两侧半圆柱矩形槽中半圆柱正前端淹没水深数据采集图；

图12为m＝2.5原型两侧半圆柱矩形槽中半圆柱正前端淹没水深数据采集图；

图13为m＝3.0原型两侧半圆柱矩形槽中半圆柱正前端淹没水深数据采集图；

图14为m＝3.5原型两侧半圆柱矩形槽中半圆柱正前端淹没水深数据采集图；

图15为m与系数α的二次多项式拟合图；

图16为m与系数β的二次多项式拟合图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例1

本实施例的通过一种两侧半圆柱矩形槽预测灌区渠道流量的方法的流程图如图1所示，具体步骤如下：

步骤1：建立两侧半圆柱矩形矩形槽的物理试验模型并进行物理模型试验，当水流流动稳定后采集半圆柱正前端淹没水深的高度；

物理模型中，两侧半圆柱矩形槽模型的材质采用透明有机玻璃，矩形槽的底部为水平放置，矩形槽设有进口和出口，在靠近矩形槽出口处矩形槽两侧设有半圆柱，在进口处下方安装有可升降装置，出口处铰接在支架上，矩形槽过流断面为矩形，底宽为30cm，高度为30cm，当两侧半圆柱直径为12.0cm时，其对应的收缩比为0.60；当两侧半圆柱直径为24.9cm时，其对应的收缩度为0.17；固定矩形槽末端，通过调节升降装置使矩形槽形成比降，试验在两个比降0％和0.5％条件下分别进行。

矩形槽长度为300cm，两侧半圆柱垂直于来流正方向的直径所在过流断面距进口断面的长度为200cm、距出口断面的长度为100cm，两侧半圆柱以矩形槽中心面对称相同。

试验过程中，比降为0％时，当收缩度r为0.60时流量由小至大分别为1.566L/s、2.170L/s、2.634L/s、3.028L/s、3.378L/s、3.597L/s、3.781L/s、4.017L/s、4.201L/s、4.420L/s、4.595L/s、4.735L/s、4.928L/s，对应试验测得水深为2.972cm、3.657cm、4.137cm、4.479cm、4.856cm、5.062cm、5.097cm、5.405cm、5.406cm、5.680cm、5.749cm、5.988cm、6.091cm；当收缩度r为0.17时流量由小至大分别为1.573L/s、2.098L/s、2.518L/s、2.885L/s、3.200L/s、3.392L/s、3.725L/s、3.935L/s、4.224L/s、4.618L/s、4.723L/s、4.781L/s、4.994L/s、5.222L/s，对应试验测得水深为6.072cm、7.438cm、8.121cm、8.805cm、9.352cm、9.693cm、10.104cm、10.582cm、10.992cm、11.506cm、11.642cm、11.848cm、12.121cm、12.292cm。

试验过程中，比降为0.5％时，当收缩度r为0.60时流量由小至大分别为1.566L/s、2.170L/s、2.634L/s、3.028L/s、3.378L/s、3.597L/s、3.781L/s、4.017L/s、4.201L/s、4.420L/s、4.595L/s、4.735L/s、4.928L/s，对应试验测得水深为2.848cm、3.572cm、4.055cm、4.441cm、4.683cm、4.972cm、5.069cm、5.310cm、5.359cm、5.552cm、5.648cm、5.841cm、6.034cm；当收缩度r为0.17时流量由小至大分别为1.573L/s、2.098L/s、2.518L/s、2.885L/s、3.200L/s、3.392L/s、3.725L/s、3.935L/s、4.224L/s、4.618L/s、4.723L/s、4.781L/s、4.994L/s、5.222L/s，对应试验测得水深为5.986cm、7.290cm、8.014cm、8.690cm、9.269cm、9.559cm、9.993cm、10.428cm、10.862cm、11.393cm、11.490cm、11.683cm、11.972cm、12.166cm。

步骤2：对物理模型试验的两侧半圆柱矩形槽进行数值模拟计算，建立两侧半圆柱矩形槽的几何模型如图2所示，并进行划分网格如图3所示，输出计算文件，导入Fluent进行数值计算，导出计算结果，通过CFD-Post进行后处理，采集数据；

Fluent计算中采用VOF方法，采用的边界条件进口为速度进口、出口为压力出口、表面为压力进口、固体边界设置为wall，计算初始条件为空气占比为100％；

数值模拟流量与模型试验流量相同，当收缩度为0.60时分别为1.566L/s、2.170L/s、2.634L/s、3.028L/s、3.378L/s、3.597L/s、3.781L/s、4.017L/s、4.201L/s、4.420L/s、4.595L/s、4.735L/s、4.928L/s；当收缩度为0.17时分别为1.573L/s、2.098L/s、2.518L/s、2.885L/s、3.200L/s、3.392L/s、3.725L/s、3.935L/s、4.224L/s、4.618L/s、4.723L/s、4.781L/s、4.994L/s、5.222L/s。

步骤3：从步骤2中若干数值计算结果找出与步骤1中测试水深相近的计算工况，输出对应的网格尺寸、湍流模型、数值算法；

在数值模拟求得的水深高度为后处理CFD-Post中水和空气各占50％自由液面条件下的水深，在比降0％和0.5％条件在对收缩度为0.60和收缩度为0.17的试验结果与模拟结果进行对比，上述所有数值模拟得到的水深与模型试验得到水深之间的相对误差均不大于7％(如图4和图5所示)，输出此时的网格为1cm×1cm×1cm的网格剖分，湍流模型为Realizable k-ε，控制方程的离散方式为有限体积法FVM；扩散项采用二阶两侧半差分格式，对流项采用Quick格式，压力和速度的耦合采用SIMPLEC算法，计算方式采用并行计算。

具体数值计算步骤：

1、通过三维建模软件SolidWorks对模型两侧半圆柱矩形槽进行建模(如图2所示)，然后输出后缀名.IGS文件；

2、将后缀名.IGS文件导入网格剖分软件Αnsys ICEM，对如图2所示的两侧半圆柱矩形矩形槽进行网格剖分(如图3所示)，网格尺寸为单位体积1cm×1cm×1cm，网格类型为六面体结构化网格，然后生成Αnsys Fluent数值计算文件后缀名.mesh文件；

3、将计算文件导入Αnsys Fluent中进行计算，具体设置方式如下：

General中Scale的x，y，z同比缩小0.001倍，将建模与数值计算的几何尺寸一致；

Models中打开多相流Volume of Fluid设置，选择隐式计算Implicit，库朗数取1×10^-8，考虑体积力ImplicitΒody Force，湍流模型选择Realizable k-ε；

Matericals中添加介质water，多相流中取主项为water、次项为air；

Βoundary Conditions中选择inlet为速度进口，wall采用边壁条件，outlet为压力出口，上表面为压力进口；

Solution Methods中压力和速度的耦合采用Coupled算法，控制方程的离散方式为FVM；扩散项采用二阶两侧半差分格式，对流项采用Quick格式；

Mointors中设置计算收敛条件，本计算为了提高计算精度，将continuity、x、y、z均设置为达到1×10^-6停止计算；

Solution Intialization中设置初始化方法为Standard Initialization，初始项设置100％为air；

Run Calculation中设置Time Step Size为0.01s，Number of Time Steps为200000，Max Iterations为20，自动保存步长为100及1s保存一个计算结果；

计算停止后将Fluent计算结果保存，导入CFD-Post后处理，具体步骤如下：

设置Isosurface，设置Water.Volume Fraction为50％，即可得到自由液面(如图6所示)，测量圆柱正前端水深即可。

步骤4：对需要测流的矩形断面的渠道进行实地勘测，量测渠道底宽为60cm，所以将两侧半圆柱矩形矩形槽整体放大2倍；

步骤5：对步骤4中带两侧半圆柱矩形矩形槽的原型进行几何建模，选取6个收缩度分别为0.17、0.26、0.33、0.48、0.59和0.68，对每个收缩度均考虑矩形槽比降，比降取0.0％、0.5％、1.0％、1.5％、2.0％、2.5％、3.0％、3.5％共计8个比降，建模完成后剖分网格进行CFD计算，采用CFD-Post对原型CFD计算结果进行后处理(结果见图7～图14)，网格剖分方式、Fluent设置方法、CFD-Post后处理方法均与步骤3中输出的数值方法相同，仅仅是将计算模型换成原型矩形槽，其他计算方法不变，步骤3就是一个选择与确定的过程，主要在于网格尺寸和云计算技术，网格尺寸不随计算对象的放大而放大，避免了由于尺寸放大后造成额外的数值误差，在原型和模型的矩形槽CFD计算中引入云技术，云计算技术提高了计算精度，也节约了计算的时间成本。

步骤6：采用SPSS软件对步骤5输出的圆柱正前端淹没水深、流道收缩后的过流宽度及对应的计算流量进行非线性处理，分别输出不同比降条件下的系数α和β，再采用Origin对系数α、β与m进行拟合分析并输出其函数关系，系数α与m的关系表现形式为二次项拟合见图15，系数β与m的关系表现形式为二次项拟合见图16。

步骤7：将系数α、β与m的拟合关系式带入理论公式

即可得到考虑比降影响的矩形槽实时流量的表达式为：

步骤8：适应性地将步骤4中的收缩度为0.60的原型两侧半圆柱矩形矩形槽安置在比降为0.12％渠道中(m取0.12)，当水流稳定后，测得两侧半圆柱正前端淹没水深12cm，对应的收缩后矩形槽过流宽度36cm，将这些参数带入步骤7中得到的考虑比降影响的矩形槽实时流量的表达式为即可得到实时的渠道流量为27L/s。完毕。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于两侧半圆柱矩形槽比降效应的灌区渠道测流法，其特征在于：渠道流量物理试验模型包括矩形槽，矩形槽设有进口和出口，在靠近矩形槽出口处矩形槽两侧对称设置半圆柱，在进口处下方安装有可升降装置，出口处铰接在支架上，包括以下步骤：

步骤1：建立两侧半圆柱矩形槽的物理试验模型并进行物理模型试验，试验中将矩形槽出口断面的底边固定，将矩形槽进口逐渐抬高，矩形槽底面与水平面的夹角为θ，θ的正切值即tαnθ为比降m％，以考虑矩形槽比降对水流流动的影响，试验中m％取值为0％和0.5％，每个比降m％对应两个收缩度分别进行试验，当水流流动稳定后采集两侧半圆柱正前端淹没水深的高度h；

步骤2：对物理模型试验的比降为0％和0.5％的两侧半圆柱矩形槽在与试验相同的两个收缩度条件下进行数值模拟计算，建立两侧半圆柱矩形槽的几何模型，并进行划分网格，输出计算文件，导入Fluent进行数值计算，导出计算结果，通过CFD-Post进行后处理，采集数据；

步骤3：从步骤2中若干数值计算结果找出与步骤1测试水深相近的计算工况，输出对应的网格尺寸、湍流模型、数值算法；

步骤4：对需要测流的矩形断面的渠道进行实地勘测，量测渠道底宽W，对步骤1中模型进行放大得到原型两侧半圆柱矩形槽，放大倍数λ＝W/Β，B为步骤1中模型矩形槽底宽；

步骤5：对步骤4中带两侧半圆柱矩形槽的原型在不同收缩度r和不同比降m％条件下分别进行几何建模及CFD计算，采用CFD-Post对原型CFD计算结果进行后处理，输出不同工况条件下圆柱正前端淹没水深h、流道收缩后的过流宽度Βc及对应的计算流量Q，下标c表示收缩条件；

步骤6：采用SPSS软件对步骤5输出的两半圆柱正前端淹没水深h、流道收缩后的过流宽度Β_c及对应的计算流量Q，结合理论公式

进行非线性处理，分别输出不同比降m％条件下的系数α和β，再采用Origin对系数α、β与m进行拟合分析并输出其函数关系；

步骤7：系数α与m的关系表现形式为二次项α＝Α₁m²+Β₁m+C₁，系数β与m的关系表现形式为二次项β＝Α₂m²+Β₂m+C₂，其中Α₁，Α₂，Β₁，Β₂，C₁，C₂为列项系数，将系数α和β带入理论公式

即可得到考虑比降影响的矩形槽实时流量的表达式为：

步骤8：适应性地将步骤4中的原型两侧半圆柱矩形槽安置在渠道中，当水流稳定后，测得两侧半圆柱正前端淹没水深h₀和对应的收缩后矩形槽过流宽度Β_c0及对应的渠道比降m₀％，带入步骤7中矩形槽考虑比降影响的实时流量表达式即可得到考虑比降影响的渠道实时流量。

2.根据权利要求1所述的一种基于两侧半圆柱矩形槽比降效应的灌区渠道测流法，其特征在于：所述矩形槽过流断面为矩形，底宽为Β，高度为M，两侧半圆柱体以矩形槽中心面为对称面完全相同，两侧半圆柱直径为D，定义两侧半圆柱收缩后的过流宽度B-D与矩形槽宽度Β之比为收缩比r，模型试验时收缩度r为取两个固定值，其一个收缩度的取值范围为0.10≤r≤0.40，另一个收缩度的取值范围为0.50≤r≤0.80，圆柱直径D、矩形槽底宽Β、矩形槽高度M的单位为：cm，r为无量纲数。

3.根据权利要求1所述的一种基于两侧半圆柱矩形槽比降效应的灌区渠道测流法，其特征在于：所述矩形槽长度L不小于10D，两侧半圆柱垂直于来流正方向的直径所在过流断面距进口断面的长度L_in不小于7D、距出口断面的长度L_out不小于3D，其中D为两侧半圆柱直径，cm。

4.根据权利要求1所述的一种基于两侧半圆柱矩形槽比降效应的灌区渠道测流法，其特征在于：所述步骤(2)中，在网格划分中采用不同尺度的六面体结构化网格，两侧半圆柱网格剖分时采用外拓扑结构，数值计算中采用的流量与步骤1中试验的输出流量一一对应，计算中采用的边界条件进口为速度进口、出口为压力出口、表面为压力进口、固体边界设置为wall，计算初始条件为空气占比为100％，在数值模拟求得的水深高度为后处理CFD-Post中水和空气各占50％自由液面条件下的水深hs，单位为cm，下标s为数模条件。

5.根据权利要求1所述的一种基于两侧半圆柱矩形槽比降效应的灌区渠道测流法，其特征在于：所述步骤3中，将步骤1和步骤2中得到试验条件下的水深ht与数模条件下的水深hs进行误差分析，其计算式为|ht-hs|/ht≤k％，式中“||”表示绝对值，当某个数值计算方案下所有k值均不大于7时输出网格划分方案及Fluent设置方案。

6.根据权利要求1所述的一种基于两侧半圆柱矩形槽比降效应的灌区渠道测流法，其特征在于：所述步骤5中，对两侧半圆柱矩形槽原型几何建模时选取6个收缩度即r1、r2、r3、r4、r5和r6，其中0.10≤r1≤0.20，0.20＜r2≤0.30，0.30＜r3≤0.40，0.40＜r1≤0.50，0.50＜r2≤0.60和0.60＜r3≤0.70，同时对计算中考虑矩形槽比降与流量预测的影响，将矩形槽出口断面的底边固定，将矩形槽进口逐渐抬高，矩形槽底面与水平面的夹角为θ，比降m％的值为θ的正切值即tαnθ，0.0％≤m％≤3.5％，将m％在其取值范围内以0.5％为间隔划分为等差数列，在任一比降m％分别对6个收缩度进行计算，并输出对应的计算流量Q、两侧半圆柱正前端水深h及矩形槽收缩后过流宽度Βc，输出的矩形槽收缩后的过流宽度Βc为矩形槽宽度与两侧半圆柱之差即Βc＝Β-D，单位cm。

7.根据权利要求1所述的一种基于两侧半圆柱矩形槽比降效应的灌区渠道测流法，其特征在于：所述步骤5中，采用的数值方法、网格剖分方式和后处理方法与步骤3中输出的方法相同。

8.根据权利要求1所述的一种基于两侧半圆柱矩形槽比降效应的灌区渠道测流法，其特征在于：所述步骤8中，考虑比降影响的渠道实时流量为：

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