明渠水流流速橫向分布拋物線律及其應(yīng)用.docx

1、人民黃河YKLLOWRIVEK【灌溉-供水明渠水流流速橫向分布拋物線律及其應(yīng)用韓金旭，黃福貴，卞艷麗，吳玉磊，陳偉偉(黃河水利科學(xué)研究院，河南鄭州450003)摘要：依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)和田間實(shí)測資料，分析了明染水流橫向流速分布特點(diǎn)，建立了明渠水流橫向流速分布拋物線律，給出了參數(shù)的確定方法，并站合明渠垂向流速雙篆律提出了明渠測沆方法，實(shí)測資料驗(yàn)證表明：用拋物線律表達(dá)明渠水流橫向流速分布具有較高的精度，在(1-2x/«,)>0.1范圖內(nèi)，除個(gè)別點(diǎn)外，計(jì)算流速相對誤差小于5%；利用拋物線律及雙策律建立的明渠刪流方法，姑度較高，對不同形式及斷面尺寸的渠道具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。關(guān)鍵詞：明渠；流速；

2、橫向分布；拋物線律；測流中圖分類號：S274.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi:10.3969/j.issn.1000-1379.2013.05.028ParabolicLawforLateralDistributionofFlowVelocityandItsApplicationinOpenChannelHANJin-xu,HUANGFu-gui,BIANYan-li,WUYu-lei,CHENWei-wei(YellowRiverInstituteofHydraulicResearch,Zhengzhou450003,China)Abstract:Baedonindoorandfieldrxpcri

3、ments,velocitydistributionpropertiesofopenchannelwereanalyzed.Paraboliclawforlateraldistributionofflowvelocitywasestablishedinreciangblarandtraprzoidalchannel.Thefbrwulatodefinetheparameteroftheparaboliclawwasgiven.Andthenthemethodforflowmeasurementinopenchannelwasputforwardbasedontheparaboliclawand

4、two-powerlaw.Theoutcomesshowthatthefractionalerrortofcalculatedvelocitiesbytheparaboliclawaresmallerthan5%exceptafewpoints,when(!-2x/Bt)>0.1.Inaddition,themethod(orflowmeasurementisaccurateandadaptstodifferentformofchannels.Keywords：openchannel;velocity;lateraldistribution；paraboliclaw；flowmeasur

5、ement目前，在我國農(nóng)業(yè)是用水大戶.隨著水資源供需矛盾的日益突出，解決農(nóng)業(yè)節(jié)水問題迫在眉睫，有效的明果fit水技術(shù)是強(qiáng)化灌區(qū)用水管理，優(yōu)化水資源配置的重要手段。在各種明梁量水方法中.堰槽法測流準(zhǔn)確，但因其阻水嚴(yán)歌而難以在平原灌區(qū)推廣；流速-面積法適用性強(qiáng)，但測點(diǎn)較多，操作資時(shí)'-2o因此,探索明渠水流流速分布規(guī)律.通過測量:有限點(diǎn)流速實(shí)現(xiàn)明渠流場測量，即在減少淮溉水頭損失的同時(shí)，減輕傳統(tǒng)流速儀法測流的工作繼.是明渠測流技術(shù)發(fā)展的方向。已有的研究一般較側(cè)重縱向流速分布，對流速橫向分布規(guī)律的探索較少。從現(xiàn)有的研究成果來看，明渠水流橫向流速分布規(guī)律主要為指數(shù)律c陳森林等較早給出了流速分布指

6、數(shù)函數(shù).并給出了參數(shù)的確定方法；郝紅科等提出了各自的指數(shù)律.但其本質(zhì)與陳森林的成果相似們；雒天峰等比較了不同指數(shù)形式對指數(shù)律計(jì)算精度的影響，認(rèn)為指數(shù)律最終計(jì)算結(jié)果不易進(jìn)行積分，給實(shí)際應(yīng)用帶來r困難；張耀哲等探索r不同含沙st對指數(shù)酒的影響.得出了指數(shù)隨含沙量增大而增大的結(jié)論*；胡云進(jìn)等針對明渠水流流速橫向分布特點(diǎn)提出了較精確的經(jīng)驗(yàn)公式，但該公式形式比較復(fù)雜；孜拉吾東等在借鑒縱向流速摻長理論的基礎(chǔ)上.，提出了流速橫向分布對數(shù)律°,但其參數(shù)確定方式仍值得商榷“盡管指數(shù)分布律在以往的研究中應(yīng)用較多，但從測流角度而言，指數(shù)律往往難以得出積分結(jié)果，特別是在自動化測流過程中，指數(shù)形式常占據(jù)較大內(nèi)

7、存，給數(shù)據(jù)計(jì)算及存儲帶來不必要的麻煩。由此可見，探索簡單、精確的流速橫向分布規(guī)律，是認(rèn)識明渠水流特性、進(jìn)行水力計(jì)算與實(shí)現(xiàn)明渠測流的重要手段。1試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法試驗(yàn)分為室內(nèi)試驗(yàn)與田間實(shí)測兩部分，室內(nèi)試驗(yàn)在矩形水槽內(nèi)進(jìn)行。水槽為混凝土結(jié)構(gòu)，長為25m,底寬為】m,槽深為1m,底坡比降為1：5000c為保證水流平順.室內(nèi)試驗(yàn)測fi：段布置在水槽中部，同時(shí)在入口處布置消能柵與壓波排。尾門布置在渠道末端.以實(shí)現(xiàn)對渠槽水位的有效控制。水槽流fit由電磁流量計(jì)測得，水位由測針測得。田間試驗(yàn)在內(nèi)蒙古南岸灌區(qū)進(jìn)行，利用實(shí)際渠道觀測流速收稿日期=2012-12-03基金項(xiàng)目:黃河水利料學(xué)研究fit中央級公拉性科研院

8、所墨本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng),金項(xiàng)目(HKY-JBYW-2012-15);”十二五”國家科找支尊計(jì)劃項(xiàng)日(2OI2BADO8IM5-2)。作者簡介：站金旭(I984-).科.天津大清人.工<1坤.主奏從事節(jié)水論肉水譽(yù)源擊效料網(wǎng)研充工作“E-mail：hanjinxu1984(126.cum分布。試驗(yàn)渠段為梯形混艇土支渠，底寬為L3m,渠道深度為Im.邊坡系數(shù)為1.46,渠道坡降為1：5000。渠道水位由水尺溯得，流站采用流速-面積法計(jì)算。在測流過程中，室內(nèi)水槽測流斷面自中垂線向邊壁均勻布置10條測線，每條測線自水面向下均勻布置10個(gè)測點(diǎn)。田間渠道測流斷面自中線向邊壁-側(cè)布置6條測線，各測線自水面

9、向下每5cm設(shè)I個(gè)測點(diǎn)。試驗(yàn)中采用OA直讀型光電流速儀測筮水槽及渠道流速分布。光電流速儀測M流速時(shí)，單-測點(diǎn)重復(fù)測鼠5次以上，取各測次均值作為該點(diǎn)流速。2明渠流橫向流速分布規(guī)律2.1橫向流速分布拋物線律分析觀測數(shù)據(jù)可知，渠道斷面水流流速由邊壁至中心逐漸加快，測點(diǎn)流速快慢與橫向位置有關(guān)。取測點(diǎn)流速與流層最大流速(中線流速)之比為無量綱流速，測點(diǎn)相對流速與相對位置的函數(shù)關(guān)系為何"式中:虬為第i流層測點(diǎn)流速.m/s;“g為第i流層最大流速，即該層中點(diǎn)處流速為測點(diǎn)至斷面中線距離，m;B,為測流斷面第i流層寬度,m；AJ為待定系數(shù)。由于中點(diǎn)處之=1,因此E式簡化為X"2.2流層橫向流

10、速分布2.2.1流速分布計(jì)算利用式(2)擬合室內(nèi)試驗(yàn)及田間實(shí)測斷面流速橫向分布，見圖】。由圖1可知，拋物線律擬合室內(nèi)及田間渠道水流流速橫向分布效果良好，各點(diǎn)流速計(jì)算精度均較高。在(I-2x/B)>0.的范圍內(nèi)，拋物線律擬合結(jié)果精確，多組試驗(yàn)平均材對誤差在±5%以內(nèi),但邊壁區(qū)(】-2QB)<0.1)擬合精度稍低。圖1明渠水流流速橫向分布擬合結(jié)果2.2.2參數(shù)確定經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，系數(shù)A呈由表層至底層先減后增的變化趨勢，且不同流速k值有所差別。為確定k值的大小，對不同流層A-取均值，同時(shí)定義一個(gè)參數(shù)_/；為線弗勞德數(shù)，表達(dá)式為擬合&值與f,y/h之間的關(guān)系(y為流層至渠道底

11、部的距離,m),則不同區(qū)域k值與f,y/h的關(guān)系可表示為f-2.8152<f,y/h)+0.0175力N006),、k=(4)l0.366n(fty/h)+0.9133(fty/h<0.06)3拋物線律計(jì)算驗(yàn)證為了驗(yàn)證拋物線律的適用性及準(zhǔn)確性.采用室內(nèi)試驗(yàn)及田間實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢驗(yàn)。拋物線律參數(shù)由式(3)確定,流速由式(2)計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表l(u.為實(shí)澳I流速值，勺為計(jì)算流速值,R為相對誤差)。由表1可知.在(l-2x/fi.)>0.1范圍內(nèi)，計(jì)算結(jié)果相對于室內(nèi)試臉結(jié)果精度較高，相對誤差在±5%以內(nèi)，計(jì)算結(jié)果相對于田間實(shí)測流速精度稍低，但偏差亦不大.在可接受的范圍

12、內(nèi)，表明利用式(2)、式(3)計(jì)算明集水流流速橫向分布是可行的。表1計(jì)鼻流速與實(shí)測值比較室內(nèi)試驗(yàn)/y/h(1(m，L)R/%田間實(shí)測/(m,s'*)R/%u.u>虬u)0.871.000.1340.1340.001.001.000.6510.6510.000.930.1310.1341.980.860.6390.64!0.380.850.1300.1332.300.720.6230.611-1.910.780.1290.1322.100.570.5590.5620.500.630.1280.128-0.490.430.4680.4925.220.550.1280.125-2.66

13、0.290.5800.4036.120.400.1200.118-2.210.330.H60.113-2.320.871.000.4200.4200.000.250.1070.1091.650.830.4100.4141.060.100.0930.0984.450.660.3970.3970.100.480.3780.369-2.440.501.000.2410.24)0.000.310.3490.330-5.490.920.2390.24()0.660.140.2570.2798.560.840.2390.2390.240.750.2380.238-0.240.351.000.3560.35

14、60.000.590.2360.232-1.620.780.3410.3523.360.510.2320.229-1.620.570.3360.3411.490.430.2290.224-1.900.350.3160.3211.740.350.2250.219-2.430.140.2820.284.270.260.2150.214-0.684明渠測流計(jì)算41垂向流速分布在明確明渠水流橫向流速分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，利用雙幕律"”表達(dá)水流中垂線流速分布，從而實(shí)現(xiàn)明渠流量的測算。雙馨律表達(dá)式為普=。(1書(十)(5)式中:、為測線平均流速,m/s；Q0、c為待定參數(shù)。參數(shù)a、b、c的計(jì)算式為a

15、=7.6769-2.8759(6)式中盤為中線平均流速,m/s；g為重力加速度,m/s2；A為斷面中線處的水深,m°6=5.3721-2.6969/(u)c=1.20351na-5.3721洪+2.6938(8)/(u)=ua2+«0.8(9)式中:知2、蜘6、峋8分別為y/A=0.2、0.6、0.8處測點(diǎn)流速,m/so4.2流量計(jì)算方法(1) 測量中垂線人為0.2、0.6、0.8處的流速值，根據(jù)式(5)推導(dǎo)流速垂向分布雙薜律，得到中垂線流速分布及中線平均流速。(2) 利用流速橫向分布拋物線律(式(2),根據(jù)式(10)進(jìn)行積分，求得第i流層流量AQ:AATT2Q=/u.AA

16、dx=化(夸)+lu,mA/idx=與氣出(10)式中:為第i流層截面面積,n?。(3) 將各部分流量累加，根據(jù)式(11)計(jì)算得到斷面過流流量CQ=2%g(11)4.3流量計(jì)算驗(yàn)證1為了驗(yàn)證流量計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，在室內(nèi)試驗(yàn)及田間試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步搜集相關(guān)研究數(shù)據(jù)，根據(jù)式(2)式(11)計(jì)算水槽與田間渠道流量，見表2、表3(0為實(shí)測流量，Q為計(jì)算流量M為相對誤差)。表2為本次研究試驗(yàn)渠道數(shù)據(jù)資料；表3為搜集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，室內(nèi)與田間渠道形制相同，均為混凝土結(jié)構(gòu)U形渠道，上口寬為0.8m。表2室內(nèi)水槽與田間渠道計(jì)算流精度驗(yàn)證與室內(nèi)試駛結(jié)果比較與田間實(shí)測結(jié)果比較ft/%m3-')。/(m、L)

17、/?/%0.0550.054-0.710.2210.212-4.070.0520.050-3.300.2860.2994.540.0540.052-4.540.5000.5071.400.0350.033-6.070.4580.4723.05表3U形渠道計(jì)算流精度瞼證與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果比較與田間實(shí)測結(jié)果比較R/%Q八m，s-')Q/(m3.sT)R/%0.0470.0470.530.0910.0920.710.0370.036-3.560.0800.0833.720.0470.881.420.1120.109-3.110.0460.045-3.000.1380.1465.760.0470.

18、045-3.1i0.0910.0920.69分析表2與表3可知，與室內(nèi)試驗(yàn)與田間實(shí)測結(jié)果相比,計(jì)算結(jié)果精度均較高，除個(gè)別工況外，相對誤差在±5%以內(nèi)。就驗(yàn)證數(shù)據(jù)所涉及的渠道而言，既有U形又有矩形和梯形渠道;從斷面尺寸來講，渠道寬度為0.84.2m,可見利用拋物線律及雙幕律進(jìn)行明渠測流的方法在不同斷面形態(tài)及規(guī)模的渠道上具有較好的適用性。同時(shí)，該方法在測流過程中，只需測量斷面中線上y/A=0.2、0.6、0.8三點(diǎn)流速，比傳統(tǒng)的流速-面積法需要測量多線多點(diǎn)流速可節(jié)省大量的時(shí)間、提高田間測流精度.更適應(yīng)田間渠道水流形態(tài)變化迅速的特點(diǎn)。5結(jié)論(1) 采用拋物線律描述明渠水流橫向流速分布具有較高的精確性。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)資料檢驗(yàn)，在(1-2X/AJ>0.1范圍內(nèi)，依據(jù)拋物線律計(jì)算明渠水流流速橫向分布的相對誤差在±5%以內(nèi)。相對于田間試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算結(jié)果精度稍低，但除個(gè)別點(diǎn)外，結(jié)果可以滿足精度需要。(2) 基于拋物線律與垂向流速分布雙慕律所提出的明渠測流方法具有較高的計(jì)算精度，對不同斷面形式及規(guī)模的渠道具有普遍的適應(yīng)性。參考文獻(xiàn)：1 張川.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)末級梁道最水