一种基于两侧半圆柱矩形槽比降效应的灌区渠道测流法制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术能够准确地测试渠道流量，操作便捷，制作廉价，适应性强。适应性强。适应性强。

【技术实现步骤摘要】
一种基于两侧半圆柱矩形槽比降效应的灌区渠道测流法


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术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。
[0005]技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术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：
[0006]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；
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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：
[0013][0014]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和对应的收本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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
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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
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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...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱晓明，姚莉，顾信钦，李金波，陈浩，周意恒，刘志峰，张思金，石先罗，斯静，任长江，
申请(专利权)人：南昌工程学院，
类型：发明
国别省市：