[发明专利]一种基于中心圆柱矩形槽比尺效应的渠道测流法

说明书

本发明公开了一种基于中心圆柱矩形槽比尺效应的渠道测流法，包括先对数值模拟的方法进行验证，通过对矩形槽进行数值计算和物理试验并进行大量数据分析与对比，得到正确合理的CFD设置方法。再通过得出的CFD设置方法对不同几何比尺的中心圆柱矩形槽进行数值模拟，计算完成后输出不同几何比尺、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。在测量渠道流量时，依据渠道尺寸将对应尺度的中心圆柱矩形槽安置渠道中，待水流稳定后测得水深及对应的尺度带入流量公式即可得到实时的渠道流量。本发明能够准确地测试渠道流量，操作便捷，制作廉价，适应性强。

技术领域

本发明涉及一种基于中心圆柱矩形槽比尺效应的渠道测流法，属于水利工程技术领域。

背景技术

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。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。但这些方法测流过程繁琐、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体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_c^2.5)(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，此外更重要的是采用试验模型与实际工程之间一定存在比尺效应，因为模型对水流作用力如表面张力、粘性力、科氏力等的预测会存在不足，那么理论公式的推导中很难考虑比尺效应的影响使得中心圆柱的矩形槽测流法很难推广应用。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，充分考虑原模型之间比尺放大对测流精度的影响，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，以提高中心圆柱矩形槽测流法在不同规模灌区及渠道中的适用性，这将更加促进灌区实现智慧灌溉的建设进程。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于中心圆柱矩形槽比尺效应的渠道测流法，能够利用数值试验手段对中心圆柱矩形槽流量进行预测，在充分考虑比尺效应对测流精度影响的情况下，能够准确测试灌区渠道流量，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，本发明操作便捷，制作廉价，适应性强。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种基于中心圆柱矩形槽比尺效应的渠道测流法，包括以下步骤：