直線流速儀檢定水槽的結(jié)構(gòu)改進(jìn)與設(shè)計(jì)構(gòu)想

牛福義

（遼寧省水文水資源勘測(cè)局，遼寧沈陽(yáng) 110003）

水文事業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)性公益事業(yè)。水文是水資源開發(fā)利用管理與保護(hù)、防治水害以及工程建設(shè)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、管理、調(diào)度的依據(jù)。水文信息中，江、河、湖泊的水流流速是一項(xiàng)重要的水文情報(bào)。所以流速的準(zhǔn)確測(cè)量關(guān)系到水文信息的準(zhǔn)確性。流量是反映水利資源和江河湖庫(kù)水量變化的基本資料，流量測(cè)驗(yàn)的目的是取得天然河流以及水利工程地區(qū)河道各種徑流資料。這些資料對(duì)于人們掌握水資源運(yùn)動(dòng)的自然規(guī)律、合理開發(fā)何利用水資源、防汛抗災(zāi)等方面都起著極其重要的作用。另外，隨著用水的商品化，水量計(jì)量顯得尤為重要，這就要求在流速儀檢定、測(cè)試過程中盡量減少影響因素，使之結(jié)果更為準(zhǔn)確。

1 流速儀檢定效率與準(zhǔn)確度影響因素分析

檢定水槽橫截面呈矩形的長(zhǎng)水槽，其槽體設(shè)計(jì)尺寸的大小，應(yīng)根據(jù)檢定儀器的類型、檢定的數(shù)量和最大檢定速度等來確定。

檢定車一個(gè)行程包括加速、穩(wěn)速、勻速、減速四個(gè)階段，其中勻速階段為儀器檢定階段。該階段的長(zhǎng)度由被檢流速儀型號(hào)、信號(hào)頻率及數(shù)量來決定這四個(gè)階段在水槽上的行程構(gòu)成了加速段、穩(wěn)速段、檢定段和制動(dòng)段。各部分長(zhǎng)度在最高車速時(shí)達(dá)到最大值，覆蓋整個(gè)水槽長(zhǎng)度。另外出于安全考慮，水槽兩端必須留有安全段。所有這些因素決定了水槽的總長(zhǎng)。

流速儀和懸桿向前運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的水面波會(huì)使相對(duì)速度減小。隨著牽引速度的增加，水面波傳播速度也增加。當(dāng)牽引速度達(dá)到一臨界值時(shí)水面波傳播速度也達(dá)到該值。此時(shí)將嚴(yán)重干擾正常檢定。國(guó)外將這種現(xiàn)象稱為愛潑爾效應(yīng)。這個(gè)臨界速度取決于水槽中水深，由下式給出：

式中： Vc--臨界速度，m/s；

g--重力加速度，9.8 m/s2；

d--水深，m。

因此，水深的確定要使得最高檢定速度V＜Vc。

槽體的寬度也根據(jù)最高檢定速度來確定。儀器之間及儀器與槽壁之間距離過小，都會(huì)對(duì)檢定成果產(chǎn)生影響。

水槽寬度由下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：B --檢定水槽寬度，m；

D --水深，m。

通常流速儀檢定有兩種方法。

一種是動(dòng)水槽法，將被檢定的流速儀置于已知流速的水槽中，測(cè)出不同流速下流速儀轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)率，得出V～n關(guān)系V=f (n)。

另一種是靜水槽法，在橫截面均勻一致的直線靜水槽中，以各種穩(wěn)定的速度牽引流速儀，測(cè)出牽引速度及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)率，進(jìn)而確定V～n關(guān)系V =f (n)。

前者由于需要很大投資才能獲得可精確控制流速的水流而較少采用，后者簡(jiǎn)單易行而且精度高，因而得到世界各國(guó)的普遍采用，因此，檢定流速儀一直以來采用的是后一種方式，也就是在一個(gè)橫截面呈矩形的長(zhǎng)水槽內(nèi)，用檢定車速作為標(biāo)準(zhǔn)流速，按給定不同的速度牽引流速儀運(yùn)動(dòng)，測(cè)量流速儀的流速。槽體如圖1所示。

圖1

在這種槽體結(jié)構(gòu)內(nèi)，在流速儀檢定過程中，流速儀在檢定車的牽引下在水槽內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于流速儀和測(cè)桿的阻力作用，當(dāng)向前運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的水面波會(huì)使相對(duì)速度減小，隨著牽引速度的增加，水面波傳播速度也增加。當(dāng)牽引速度達(dá)到一臨界值時(shí)水面波傳播速度也達(dá)到該值。國(guó)外將這種現(xiàn)象稱為愛潑爾效應(yīng)。當(dāng)然這個(gè)臨界速度也取決于水槽中的水深和寬度。

另一方面，當(dāng)檢定車牽引流速儀達(dá)到一定速度時(shí)，水面波帶動(dòng)水體表面移動(dòng)而產(chǎn)生浪涌，由于移動(dòng)方向與兩端槽壁垂直，當(dāng)撞擊槽壁后將產(chǎn)生反射，形成回流，當(dāng)水體移動(dòng)越快，撞擊槽壁后產(chǎn)生的浪越大，也就是說回流也就越大，此時(shí)對(duì)流速儀檢定的準(zhǔn)確度影響很大，這將嚴(yán)重干擾正常檢定。按照直流明槽轉(zhuǎn)子式流速儀檢定規(guī)范要求，所需要靜水的時(shí)間就越長(zhǎng)，這就大大降低了流速儀檢定的工作效率。

2 改進(jìn)水槽結(jié)構(gòu)的初步構(gòu)想與設(shè)計(jì)

基于上訴因素，由于水體移動(dòng)方向與槽壁垂直，撞擊槽壁后而產(chǎn)生浪涌形成回流是最大的，而靜水時(shí)間與浪涌大小是成正比的，也就是說在檢定過程中速度越快需要靜水的時(shí)間就越長(zhǎng)，因此在流速儀檢定過程中盡可能減小浪涌就可提高流速儀檢定的準(zhǔn)確度，同時(shí)也可縮短靜水的時(shí)間。以這種思路為出發(fā)點(diǎn)，經(jīng)過反復(fù)研究構(gòu)思，在原水槽的兩端，改變其原水槽兩端垂直結(jié)構(gòu)形式，在水槽兩端增加漫水堰和消浪池，如圖2所示。

圖2

從圖2一端（兩端相同）的截面圖中可以看出，將原來垂直的槽壁設(shè)計(jì)為斜面（漫水堰）與弧形槽壁，整個(gè)圓弧形水池即為消浪池。這樣，當(dāng)流速儀檢定過程中，當(dāng)達(dá)到一定速度時(shí)，所產(chǎn)生的水面波或浪涌通過漫水堰后不會(huì)直接反射回去，而是越過漫水堰進(jìn)入消浪池，由于消浪池是圓弧形構(gòu)造，撞擊消浪池的弧線型槽壁后改變方向，形成向下的渦流循環(huán)，從而在消浪池中有效的消除了由于撞擊槽壁所產(chǎn)生的大部分的反射回流（如圖3所示）。

因此，在流速儀檢定過程中，由于沒有了撞擊槽壁所產(chǎn)生的反射回流而大大提高了檢定的準(zhǔn)確度，同時(shí)也縮短了凈水時(shí)間，提高了工作效率。

圖3

3 保證水槽水質(zhì)及節(jié)約用水輔助技術(shù)措施

在實(shí)際工作中，經(jīng)過一段時(shí)間的流速儀檢定后，水槽中的水會(huì)在水面留下一層油脂，落入灰塵后使水質(zhì)變得污濁，因此需要更換檢定槽水，按照一般的檢定槽，年用水量需要大約 1000方左右，這在水資源短缺今天是一種很大的浪費(fèi)。為了達(dá)到既節(jié)水又能保證流速儀檢定水槽中水質(zhì)的清潔，設(shè)計(jì)中，在消浪池安裝有吸油滾筒和潛水泵。如圖 4所示。

圖4

吸油滾筒在流速儀檢定消浪的過程中，由于浪的沖擊使吸油滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，可吸附部分水面的油污，滾筒外包吸油材料可根據(jù)吸附情況隨時(shí)更換。另外，在消浪池的一側(cè)安裝有潛水泵，潛水泵的位置在消浪池的中下部，潛水泵排水口通過管道引到水槽的另一端，與給水閥門在同一端，當(dāng)需要清理油污時(shí)，開啟潛水泵，這時(shí)，消浪池水位降低，而水槽里的水位升高，水槽中的水體表面會(huì)通過漫水堰溢到消浪池中，整個(gè)循環(huán)過程使吸油滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，將油污吸附干凈。另外，當(dāng)檢定水槽中的水，由于滲漏、蒸發(fā)需要補(bǔ)水時(shí)，先用消浪池中的水補(bǔ)充到檢定槽中，與漫水堰持平，然后開啟給水閥門，在補(bǔ)水的過程中，同樣水體表面會(huì)向消浪池一邊移動(dòng)，通過漫水堰及吸油滾筒溢到消浪池中，可同時(shí)起到清除油污的作用。通過水槽中的水的重復(fù)利用，既保證了水質(zhì)又大量節(jié)約了用水。

4 直線水槽有關(guān)結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析論證的結(jié)果

通過以上對(duì)傳統(tǒng)型的水文系統(tǒng)專用的流速儀檢定水槽有關(guān)內(nèi)外結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)改變與論證分析，業(yè)內(nèi)同行顯然可以從中發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的新型流速儀檢定水槽，可以大大減少過去數(shù)十年來水文儀檢部門難以克服的問題弊端，綜合起來可以得出如下主要結(jié)論。

（1）在流速儀檢定過程中，有效降低了水面波及反射流對(duì)流速儀的影響，大大提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度。

（2）在流速儀檢定過程中，隨時(shí)對(duì)油污進(jìn)行清理，也就是說檢定的過程也是清理的過程，保證了檢定中水槽水質(zhì)的清潔。

（3）通過循環(huán)水清潔利用，既可清潔水質(zhì)，又大量節(jié)約了用水，大大降低了用水成本。

（4）在流速儀檢定過程中，消浪池有效的降低了由于撞擊槽壁所產(chǎn)生的大部分的反射浪，使靜水時(shí)間縮短，大大提高了檢定的工作效率。

5 結(jié) 語(yǔ)

上述論點(diǎn)分析與技術(shù)論證，是筆者基于多年從事水文系統(tǒng)的流速儀檢定作業(yè)和直線水槽檢定車升級(jí)改造等相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)反復(fù)思考所提出的。歡迎同行批評(píng)指正或商榷探討，總之，真心希望上述構(gòu)思與設(shè)計(jì)，能夠?yàn)槲覈?guó)水文部門未來新型流速儀檢定水槽的設(shè)計(jì)與建設(shè)，提供一些有價(jià)值的技術(shù)參考。