不同坡度下擺桿式測(cè)流儀量水特性的研究

周義仁，石先德

(太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的快速發(fā)展，水資源短缺形勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)峻，我國(guó)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(dá)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(guó)90%以上的經(jīng)濟(jì)作物，實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置對(duì)保障國(guó)家糧食安全具有重要意義[1]。而灌區(qū)精準(zhǔn)量水是實(shí)現(xiàn)水資源合理配置和水資源可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。目前我國(guó)灌區(qū)內(nèi)各大干渠、支渠都已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化渠道的建設(shè)，而且量水精度也都可以達(dá)到較高的水平[2]。流速面積法以及水力學(xué)法是目前灌區(qū)測(cè)量渠道流量的主要方法。其中流速面積法是基于渠道過(guò)水?dāng)嗝嫠髁魉俜植家?guī)律，通過(guò)測(cè)量典型點(diǎn)或斷面平均流速，進(jìn)而利用明渠水流連續(xù)性方程計(jì)算得到總流量。水力學(xué)法通常需要利用明渠均勻流理論并且借助特設(shè)量水設(shè)施測(cè)量渠道流量。流速面積法通常適用于大型渠道，且測(cè)流儀器投入成本較大，而水力學(xué)法通常需要結(jié)合水工建筑物進(jìn)行測(cè)流，且對(duì)渠道水流水頭損失較大[3]。由于各個(gè)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(duì)斗渠以及農(nóng)渠的量水設(shè)施并不健全，有一些農(nóng)戶量水直接憑借經(jīng)驗(yàn)放水，導(dǎo)致了用水不合理現(xiàn)象頻繁發(fā)生。所以研發(fā)更加廉價(jià)、量水精度更高、適用范圍更加廣泛的測(cè)流儀器勢(shì)在必行[4]。

1 擺桿式測(cè)流儀測(cè)流試驗(yàn)原理與方法

1.1 擺桿式測(cè)流儀測(cè)流原理簡(jiǎn)介

測(cè)流裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

1-調(diào)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(cè)流擺桿；9-液晶顯示器；10-可伸縮鋼架圖1 擺桿式測(cè)流裝置機(jī)械圖

測(cè)流擺桿7可繞轉(zhuǎn)軸沿水流方向擺動(dòng)，當(dāng)圓柱形擺桿放置于流動(dòng)的水中時(shí)會(huì)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(shí)際流動(dòng)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(dāng)擺桿7放置在流動(dòng)的水中時(shí)，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(dá)到平衡。所以在同一渠道同一坡度下，如果渠道過(guò)水?dāng)嗝嫠矔r(shí)流量相同，那么擺桿的旋轉(zhuǎn)角度也必定相同。利用擺桿的旋轉(zhuǎn)角度與渠道過(guò)水?dāng)嗝嫠矔r(shí)流量建立關(guān)系曲線，在相同渠道下，得知擺桿旋轉(zhuǎn)角度便可以得知渠道瞬時(shí)流量。

1.2 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)在太原理工大學(xué)水流實(shí)驗(yàn)大廳中進(jìn)行，試驗(yàn)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(kù)中儲(chǔ)備的水抽出，通過(guò)閥門(mén)與水泵的控制可以調(diào)節(jié)通過(guò)管道的水的流量，利用安裝的管道流量計(jì)可以在顯示面板上看到進(jìn)入渠道的水流累計(jì)流量與瞬時(shí)流量的大小。當(dāng)水通過(guò)管道進(jìn)入渠道后，設(shè)置穩(wěn)流池來(lái)穩(wěn)定水流，讓水流進(jìn)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(cè)流精度。水流經(jīng)過(guò)U型渠道之后可以利用薄壁三角堰再次進(jìn)行率定[6]，以確保流量測(cè)量的準(zhǔn)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(jì)的穩(wěn)定性，最終選定測(cè)流范圍為：0～600 m3/h。擺桿式明渠測(cè)流系統(tǒng)執(zhí)行測(cè)流任務(wù)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 測(cè)流試驗(yàn)示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 擺桿式明渠測(cè)流儀測(cè)流公式量綱分析

擺桿式明渠測(cè)流儀的測(cè)流計(jì)算公式可以通過(guò)量綱分析法推導(dǎo)得到。由試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)影響擺桿式明渠測(cè)流裝置測(cè)流流量Q的主要因素有：過(guò)水?dāng)嗝嫠Π霃絉、水的密度ρ、重力加速度g、測(cè)流擺桿密度ρ桿、測(cè)流擺桿長(zhǎng)度L、測(cè)流擺桿直徑D、測(cè)流擺桿被水推動(dòng)的水平位移d、水中泥沙濃度S、水動(dòng)力黏滯系數(shù)v、渠道糙率n以及渠道坡度i有關(guān)。

根據(jù)π定理及以上影響因素寫(xiě)出函數(shù)關(guān)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(gè)相互獨(dú)立的量作為研究基本物理量，剩余物理量組成無(wú)量綱π的個(gè)數(shù)為12-3=9個(gè)，所以無(wú)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(dǎo)出：

(4)

因此：

(5)

又因?yàn)闂U在水中移動(dòng)的水平距離d=Lsinθ(θ為擺桿在擺動(dòng)后與豎直方向的夾角)，所以：

(6)

則：

(7)

式(7)中系數(shù)K與過(guò)水?dāng)嗝嫠Π霃絉、水的密度ρ、測(cè)流擺桿密度ρ桿、測(cè)流擺桿直徑d、水中泥沙濃度S、水動(dòng)力黏滯系數(shù)v、渠道糙率n以及渠道坡度i有關(guān)，可以直接通過(guò)試驗(yàn)獲得系數(shù)K的值。

2.2 擺桿式明渠測(cè)流儀試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3 D50U型渠道不同坡度下流量與關(guān)系

由圖3得到擺桿式明渠測(cè)流裝置擺桿擺動(dòng)角度θ與渠道斷面瞬時(shí)流量之間的擬合公式，見(jiàn)表1。

表1 D50U型渠道不同坡度下擺桿式測(cè)流儀測(cè)流流量

3 研究結(jié)論

灌區(qū)渠道量水是實(shí)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(dòng)桿件的明渠測(cè)流裝置，這種測(cè)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(dòng)的角度與渠道過(guò)水?dāng)嗝嫠矔r(shí)流量的擬合關(guān)系進(jìn)行測(cè)流。通過(guò)不同坡度下的D50 U型渠道進(jìn)行試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(3)擺桿式明渠測(cè)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(guān)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(cè)流裝置是基于渠道過(guò)水?dāng)嗝嫠矔r(shí)流量與擺桿角度之間關(guān)系進(jìn)行測(cè)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(cè)流所用測(cè)桿對(duì)渠道水流水頭損失較小，經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)測(cè)流誤差較小，為明渠測(cè)流提供了一種較為可靠的測(cè)流方法。