[发明专利]一种基于最优收缩度中心圆柱矩形槽的渠道测流法

权利要求书

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^-1.5g^-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_c^2.5)(g^0.5)(h/B_c)^b进行非线性处理，分别输出不同收缩度r条件下的系数a和b，再采用Origin对系数a、b与r进行拟合分析并输出其函数关系，g为重力加速度；

步骤3：将系数a、b与r的拟合关系式带入理论公式，即可得到考虑收缩度影响的矩形槽中实时流量的表达式；

步骤4：将最优收缩度r₀和对应的收缩后矩形槽过流宽度B_c0带入步骤3中考虑收缩度影响的矩形槽中实时流量的表达式，即可得到基于最优收缩度中心圆柱矩形槽中实时流量的表达式；

步骤5：对需要测流的渠道进行实地勘测，量测渠道底宽W，对步骤1中最优收缩度中心圆柱矩形槽进行放大得到原型最优收缩度中心圆柱矩形槽，放大倍数为λ₀＝W/B，将中心圆柱矩形槽安置在渠道中，当水流稳定后，测得中心圆柱正前端淹没水深h₀和收缩宽度W-W*r₀带入步骤4中得到的基于最优收缩度中心圆柱矩形槽中实时流量的表达式即可得到实时的渠道流量。