不同坡度下擺桿式測流儀量水特性的研究

周義仁，石先德

(太原理工大學 水利科學與工程學院，太原 030024)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟與社會的快速發(fā)展，水資源短缺形勢越來越嚴峻，我國農(nóng)業(yè)用水占總用水量70%左右，農(nóng)田有效灌溉面積已經(jīng)達到0.6 億hm2，在占有耕地面積一半的有效灌溉面積上生產(chǎn)了全國90%以上的經(jīng)濟作物，實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置對保障國家糧食安全具有重要意義[1]。而灌區(qū)精準量水是實現(xiàn)水資源合理配置和水資源可持續(xù)發(fā)展的關鍵所在。目前我國灌區(qū)內各大干渠、支渠都已經(jīng)基本實現(xiàn)了標準化渠道的建設，而且量水精度也都可以達到較高的水平[2]。流速面積法以及水力學法是目前灌區(qū)測量渠道流量的主要方法。其中流速面積法是基于渠道過水斷面水流流速分布規(guī)律，通過測量典型點或斷面平均流速，進而利用明渠水流連續(xù)性方程計算得到總流量。水力學法通常需要利用明渠均勻流理論并且借助特設量水設施測量渠道流量。流速面積法通常適用于大型渠道，且測流儀器投入成本較大，而水力學法通常需要結合水工建筑物進行測流，且對渠道水流水頭損失較大[3]。由于各個地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式以及水源等條件存在一定的差異，所以對斗渠以及農(nóng)渠的量水設施并不健全，有一些農(nóng)戶量水直接憑借經(jīng)驗放水，導致了用水不合理現(xiàn)象頻繁發(fā)生。所以研發(fā)更加廉價、量水精度更高、適用范圍更加廣泛的測流儀器勢在必行[4]。

1 擺桿式測流儀測流試驗原理與方法

1.1 擺桿式測流儀測流原理簡介

測流裝置結構見圖1。

1-調平裝置；2-不銹鋼支架；3、8-水平儀；4-超聲波探頭；5-電源及數(shù)據(jù)處理模塊；6-角度傳感器;7-測流擺桿；9-液晶顯示器；10-可伸縮鋼架圖1 擺桿式測流裝置機械圖

測流擺桿7可繞轉軸沿水流方向擺動，當圓柱形擺桿放置于流動的水中時會受到阻力和升力作用，受到的阻力又稱為圓柱繞流阻力。在實際流動中，流體作用在被繞流物體上的阻力基本上可以分為兩類：第一種是由于黏性摩擦引起的阻力，稱為摩擦阻力；另一種是由于壓差而產(chǎn)生的阻力，稱為壓差阻力(形狀阻力)[5]。當擺桿7放置在流動的水中時，擺桿因所受到水的阻力、升力以及自身的重力三者產(chǎn)生的力矩而達到平衡。所以在同一渠道同一坡度下，如果渠道過水斷面瞬時流量相同，那么擺桿的旋轉角度也必定相同。利用擺桿的旋轉角度與渠道過水斷面瞬時流量建立關系曲線，在相同渠道下，得知擺桿旋轉角度便可以得知渠道瞬時流量。

1.2 試驗概況

試驗在太原理工大學水流實驗大廳中進行，試驗條件具備完整的一套地下水循環(huán)系統(tǒng)，水泵將地下水庫中儲備的水抽出，通過閥門與水泵的控制可以調節(jié)通過管道的水的流量，利用安裝的管道流量計可以在顯示面板上看到進入渠道的水流累計流量與瞬時流量的大小。當水通過管道進入渠道后，設置穩(wěn)流池來穩(wěn)定水流，讓水流進入D50 U型渠道之后盡量的保持平穩(wěn)狀態(tài)，不至于產(chǎn)生太大的波浪影響測流精度。水流經(jīng)過U型渠道之后可以利用薄壁三角堰再次進行率定[6]，以確保流量測量的準確性。

U型渠道為D50型，其主要參數(shù)為：渠深 0.5 m，渠道底弧半徑 0.25 m，底弧圓心角 163°，渠道傾角8.5°，渠頂寬度0.58 m，渠道坡度分別為1/500、1/1 000、1/2 000、1/5 000以及1/10 000。根據(jù)水泵性能以及流量計的穩(wěn)定性，最終選定測流范圍為：0～600 m3/h。擺桿式明渠測流系統(tǒng)執(zhí)行測流任務示意圖見圖2。

圖2 測流試驗示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 擺桿式明渠測流儀測流公式量綱分析

擺桿式明渠測流儀的測流計算公式可以通過量綱分析法推導得到。由試驗可以發(fā)現(xiàn)影響擺桿式明渠測流裝置測流流量Q的主要因素有：過水斷面水力半徑R、水的密度ρ、重力加速度g、測流擺桿密度ρ桿、測流擺桿長度L、測流擺桿直徑D、測流擺桿被水推動的水平位移d、水中泥沙濃度S、水動力黏滯系數(shù)v、渠道糙率n以及渠道坡度i有關。

根據(jù)π定理及以上影響因素寫出函數(shù)關系[7]：

f(Q,R,ρ,g,ρ桿,L,D,d,S,v,n,i)=0

(1)

選取d，g，ρ桿三個相互獨立的量作為研究基本物理量，剩余物理量組成無量綱π的個數(shù)為12-3=9個，所以無量綱數(shù)方程為：

F(π1,π2,π3,π4,π5,π6,π7,π8,π9)=0

(2)

最終得到：

F(π1,π2,π3,π4,π5,π6,π7,π8,π9)=

(3)

因此可以推導出：

(4)

因此：

(5)

又因為桿在水中移動的水平距離d=Lsinθ(θ為擺桿在擺動后與豎直方向的夾角)，所以：

(6)

則：

(7)

式(7)中系數(shù)K與過水斷面水力半徑R、水的密度ρ、測流擺桿密度ρ桿、測流擺桿直徑d、水中泥沙濃度S、水動力黏滯系數(shù)v、渠道糙率n以及渠道坡度i有關，可以直接通過試驗獲得系數(shù)K的值。

2.2 擺桿式明渠測流儀試驗結果分析

圖3 D50U型渠道不同坡度下流量與關系

由圖3得到擺桿式明渠測流裝置擺桿擺動角度θ與渠道斷面瞬時流量之間的擬合公式，見表1。

表1 D50U型渠道不同坡度下擺桿式測流儀測流流量

3 研究結論

灌區(qū)渠道量水是實現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展的重中之重，本文提出一種基于擺動桿件的明渠測流裝置，這種測流裝置不需要借助水工建筑物以及流速儀，其主要是利用擺桿在渠道中受到水流作用力后擺動的角度與渠道過水斷面瞬時流量的擬合關系進行測流。通過不同坡度下的D50 U型渠道進行試驗，得出以下結論：

(3)擺桿式明渠測流裝置在1/500、1/1 000、1/2 000、1/5 000和1/10 000坡度下線性相關系數(shù)分別為0.956 5、0.985 3、0.981 9、0.978 7、0.979 9，隨著坡度的減緩，公式中系數(shù)K不斷增大，式中K與坡度i成反比；

(4)擺桿式明渠測流裝置是基于渠道過水斷面瞬時流量與擺桿角度之間關系進行測流的，該裝置可以適用于所有類型渠道，且裝置制作成本較低，測流所用測桿對渠道水流水頭損失較小，經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)測流誤差較小，為明渠測流提供了一種較為可靠的測流方法。