一种基于最优收缩度中心圆柱矩形槽的渠道测流法制造技术

本发明专利技术公开了一种基于最优收缩度中心圆柱矩形槽的渠道测流法，主要包括通过CFD方法对给定中心圆柱矩形槽在不同收缩度条件下进行模拟，通过水跃的形态来判断柱前是否存在有效水深，当某一最小收缩度在任意流量条件下均存在有效水深时即得到最优收缩度；借助SPSS和Origin对不同收缩度及流量条件下的水深和收缩过流宽度进行数据处理，得到基于不同收缩度的中心圆柱矩形槽的流量预测公式，将最优收缩度带入即可得到基于最优收缩度中心圆柱矩形槽的流量预测公式，在渠道测流时依据渠道尺寸将最优收缩度的中心圆柱矩形槽安置渠道中，待水流稳定后测得水深带入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】
一种基于最优收缩度中心圆柱矩形槽的渠道测流法


[0001]本专利技术涉及一种基于最优收缩度中心圆柱矩形槽的渠道测流法，属于水利工程


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。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。
[0003]国内外学者在矩形矩形槽中设置阻碍物，使得矩形槽中形成临界流，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，通过中心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形和两侧半圆柱等阻碍物，中心圆柱矩形槽构造简单、理论公式简洁，但是需要事先确定流量与柱前水深的关系系数，通过量纲分析可以得到流量与柱前水深的关系为：Q＝a(B
c2.5
)(g
0.5
)(h/B
c
)
b
，目前学者们通常通过物理模型试验来确定系数a和b，但是模型试验工作量较大、限制条件诸多、误差很难满足精度要求，此外更重要的是在率定系数时，研究者们通常认为通过2～3个收缩度得到的系数a和b可以适用于任意收缩度矩形槽预测流量，这显然是不合理的，严重制约了中心圆柱矩形槽测流法的推广应用。另外，目前通常采用模型试验的方法来确定流量与柱前水深的关系，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、理论公式的推导中很难考虑收缩度的影响使得中心圆柱的矩形槽测流法很难推广应用。此外，中心圆柱矩形槽的收缩度也影响了中心圆柱直径的大小，其决定了中心圆柱耗材的多少，如果确定一个最小且通用的收缩度(最优收缩度)将有助于节能环保。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中心圆柱矩形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，如何利用云计算与CFD方法来提高中心圆柱矩形槽的测流精度，充分考虑收缩度对测流精度的影响，并在此基础上提出最优收缩度的确定方法，使其能够既准确又经济地测试灌区渠道流量是一个非常值得研究的课题，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最优收缩度中心圆柱矩形槽的渠道测流法，能够利用数值试验手段对中心圆柱矩形槽流量进行预测，在充分考虑收缩度及最优收缩度对测流精度影响的情况下，能够准确经济地测试灌区渠道流量，有效地避免了灌溉水源的浪费，并且提高了灌水的质量和效率，本专利技术操作便捷，制作廉价，适应性强。
[0005]技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术的一种基于最优收缩度中心圆柱矩形槽的渠道测流法，包括以下步骤：
[0006]步骤1：建立中心圆柱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圆柱正前端淹没水深的高度，并针对所述中心圆柱矩形槽通过CFD方法确定其最优收缩度；
[0007]步骤1中，最优收缩度r的确定包含以下步骤：
[0008]步骤1
‑
1：对中心圆柱矩形槽进行物理模型试验，制作固定某一收缩度的中心圆柱矩形槽模型，其材质采用透明有机玻璃，矩形槽的底部为水平放置，矩形槽过流断面为矩形，底宽为B，高度为M，中心圆柱直径为D，定义中心圆柱直径为D与矩形槽宽度B之比为收缩度r，在不同流量条件下进行试验，测试中心圆柱的柱前水深；
[0009]步骤1
‑
2：确定最优的数值模拟方法，对物理模型试验中给定收缩度条件下的中心圆柱矩形槽进行建模和数值模拟计算，采用不同尺度的网格大小对建立的模型进行网格剖分，输出计算文件导入Fluent中，采用不同的湍流模型、离散方法、数值算法、时间步长进行数值模拟并分别导出计算结果，通过CFD
‑
Post进行后处理并采集数据，从若干数值计算数据中找出与步骤1中给定收缩度中心圆柱矩形槽测试水深相近的计算工况，输出对应的网格尺寸、湍流模型、离散方法、数值算法、时间步长；
[0010]步骤1
‑
3：确定中心圆柱矩形槽的最优收缩度，保持矩形槽宽度不变，通过改变中心圆柱直径来确定中心圆柱矩形槽的收缩度，对不同收缩度r条件下的中心圆柱矩形槽分别进行几何建模，在不同无量纲数F0＝QB
‑1M
‑
1.5
g
‑
0.5
条件下采用步骤1
‑
2得到的最优数值模
拟方法进行CFD计算，无量纲数F0取值间隔为0.01，建模时保持矩形槽底宽相同，通过改变中心圆柱的直径来确定不同收缩度，收缩度r的取值范围为0.0＜r＜1.0，建立几何模型时r取值间隔为0.01，即0.01、0.02、0.03、...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于最优收缩度中心圆柱矩形槽的渠道测流法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立中心圆柱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圆柱正前端淹没水深的高度，并针对所述中心圆柱矩形槽通过CFD方法确定其最优收缩度；所述步骤1中，最优收缩度r的确定包含以下步骤：步骤1
‑
1：对中心圆柱矩形槽进行物理模型试验，制作某一固定收缩度的中心圆柱矩形槽模型，其材质采用透明有机玻璃，矩形槽的底部为水平放置，矩形槽过流断面为矩形，底宽为B，高度为M，中心圆柱直径为D，定义中心圆柱直径为D与矩形槽宽度B之比为收缩度r，在不同流量Q条件下进行试验，测试中心圆柱的柱前水深；步骤1
‑
2：确定最优的数值模拟方法，对物理模型试验中给定收缩度条件下的中心圆柱矩形槽进行建模和数值模拟计算，采用不同尺度的网格大小对建立的模型进行网格剖分，输出计算文件导入Fluent中，采用不同的湍流模型、离散方法、数值算法、时间步长进行数值模拟并分别导出计算结果，通过CFD
‑
Post进行后处理并采集数据，从若干数值计算数据中找出与步骤1中给定收缩度中心圆柱矩形槽测试水深相近的计算工况，输出对应的网格尺寸、湍流模型、离散方法、数值算法、时间步长；步骤1
‑
3：确定中心圆柱矩形槽的最优收缩度，保持矩形槽宽度不变，通过改变中心圆柱直径来确定中心圆柱矩形槽的收缩度，对不同收缩度r条件下的中心圆柱矩形槽分别进行几何建模，在不同无量纲数F0＝QB
‑1M
‑
1.5
g
‑
0.5
，条件下采用步骤1
‑
2得到的最优数值模拟方法进行CFD计算，其中底宽为B，高度为M，g为重力加速度，Q为中心圆柱矩形槽模拟时给定的流量；无量纲数F0取值间隔为0.01，建模时保持矩形槽底宽相同，通过改变中心圆柱的直径来确定不同收缩度，收缩度r的取值范围为0.0＜r＜1.0，建立几何模型时r取值间隔为0.01，即0.01、0.02、0.03、
……
、0.97、0.98、0.99；收缩度r的计算顺序的选择为：当收缩度r的计算顺序采用中心均值法进行确定，即先计算r＝0.99时的中心圆柱矩形槽的流场，当r＝0.99的所有无量纲数F0的水跃形态为柱上水跃时该矩形槽无最优收缩度，当r＝0.99的所有无量纲数F0水跃形态为正常水跃时，向下重新确定收缩度的值为r＝(0.01+0.99)/2＝0.50进行CFD计算；当r＝0.50的存在无量纲数F0水跃形态为柱上水跃时，向上重新确定收缩度的值为r＝(0.50+0.99)/2＝0.745，四舍五入为0.75，当r＝0.50的所有无量纲数F0水跃形态为正常水跃时，向下重新确定收缩度的值为r＝(0.50+0.01)/2＝0.255，四舍五入为0.26，以此类推对不同收缩度的中心圆柱矩形槽流场进行计算，直至某收缩度r的中心圆柱矩形槽的水跃为正常水跃，而比该收缩度小0.01的中心圆柱矩形槽的水跃为柱上水跃时停止计算并输出该收缩度，该收缩度可以确定为目标矩形槽的最优收缩度记为r0，在任意收缩度和任意流量条件下观察水槽中中心圆柱前水跃的形态，水跃形态的判断标准为：当水跃形态为柱上水跃时的中心圆柱矩形槽收缩度为无效收缩度，当水跃形态为不为柱上水跃时的收缩度为中心圆柱矩形槽有效收缩度；步骤2：对大于等于步骤1
‑
3输出的最优收缩度r0，即r≥r0，中选取6个收缩度即r1、r2、r3、r4、r5和r6，r1～r6均匀分布于r0≤r＜1之间，对所选收缩度的中心圆柱矩形槽在不同流量条件下进行数值计算，输出对应的计算流量Q、圆柱正前端水深h及矩形槽收缩后过流宽度Bc，再采用SPSS软件对条件下圆柱正前端淹没水深h、流道收缩后的过流宽度B
c
及对应的计算流量Q，结合理论公式Q＝a(B
c2.5
)(g
0.5
)(h/...

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