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基于多普勒超声波流量计的城市河渠流速的测量研究

来源:武汉新烽光电股份有限公司 日期:2019-10-30 浏览:199次

 

 

基于多普勒超声流量计的城市河渠流速的测量研究

潘凌 武治国1 张春萍2*沈海超1 陈银1

(1. 武汉新烽光电股份有限公司,湖北武汉 4302002 武汉工程大学 湖北武汉 430200

 

要:城市河渠剖面流速的实用测量方法对减少测量时产生的误差十分关键。本文使用多普勒流量计,采用多点测量的方法,对城市河渠的剖面流速进行分析,研究城市河渠剖面垂向流速的实际分布规律。分析发现,针对不同的应用场合,垂向流速的分布适合采用对数和抛物线两种曲线进行分段拟合,并给出了分界点相对水深在0.6~0.85的范围此时相关系数可达到0.95也可采用两点法与对数公式相结合的方式获取垂向平均流速,两种方法都具有较好的精度,可获得较为确的明渠剖面流速,对工程实际应用具有一定的指导和参考价值。

 

关键词:城市河渠剖面流速;多普勒流量计

 

Research on Velocity Measurement of Urban River

by Using Doppler Ultrasonic Flowmeter

Ling Pan1;; Zhiguo Wu1; Chunping Zhang2*; Haichao Shen1; Yin Chen1; Liang Song1; Liqing Li1

1. Wuha Wuhan Newfiber Optoelectronics Co.,Ltd, Wuhan,Hubei,430200; 2.Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430200, China)

Abstract: For urban river channel profile velocity measurement, it is very important to reduce the measuring error. In this paper, the multi river channel profile velocities obtained by Doppler ultrasonic flowmeters are analyzed to study the vertical flow velocity distribution. The results show that for different river channels, the vertical flow velocity should be described by two kinds of curves: logarithmic and parabolic functions. Between the two curves, there is a demarcation area, which is at 0.6~0.85 relative to the depth of water with a high correlation coefficient of 0.95. Furthermore, the two-point method combined with the logarithmic formula can also be used to obtain the vertical average flow velocity. An accurate channel profile velocity of urban river with a good precision can be obtained by using the two methods. The result can be applied to the practical measurement of river channel as a reference.

 

Key words: Urban River Channel; Profile Velocity; Doppler Flowmeter

 

 

 

1引言

目前,针对河渠剖面的流速分布规律已有很多理论上的研究,如常用的剖面流量测量方法有:堰槽法、水位流量关系法、流速仪法、电磁感应法等[1]。还有部分学者依据动能方程推导出出流量计算公式[2],但主要是针对自然河道,并且参数繁多,不易应用。对于剖面流速分布规律与相关经验公式及计算方法,韩金旭等人提出了“水面流速法”[3,4],可根据水面单点的流速测量推算出剖面流速分布规律。此方法虽然简便,但平均流速的误差对测量点的测量误差有较大依赖。王二平、金辉等人对于剖面流速的分布规律提出了垂线抛物线、横向乘幂函数算法公式[5-7],对于流速剖面分析有一定参考价值,但所得出的剖面中心区域的垂向流速误差较大。由此可见,上述方法在应用到河渠的流速测量时均存在不同程度的问题。随着城市水环境问题的凸显和水资源管理的日益紧迫,亟需要解决城市河渠的剖面流速测量问题,因此,探索可实际应用的更加简便易行且较为精确的剖面流量测量技术即迫在眉睫。本文以云南省玉溪市内河道为研究对象,通过现场实测与数据拟合等方式,分析出剖面流速经验拟合公式,结合在线多普勒流量检测设备,建立城市规则河道剖面流速分析方法。将理论与实际相结合,总结出一种可实际应用于城市河渠流速、流量的在线测量方法。 

 

2 城市河渠剖面流速分布规律

2.1河渠剖面流速测点的选择及布置

为尽可能得到准确的剖面平均流速,在玉溪市内各种河渠流域中,分别挑选不同流域的监测断面共7进行人工剖面流速测量七个监测断面编号分别是图中的H1H3H5H10H11H13H15。在监测过程中H5(玉溪大河流出示范区)为高水位,其他监测断面均为低水位。玉溪市河道流域分布见图1

 1572428078(1).jpg

1

本文挑选的河渠宽深比均在15以上,选择区域剖面规则、水流相对平稳。每个测量剖面布置9条垂线,每条垂线设置7个测点(部分水位较浅的河道只设置了35个测点)。9条垂线的相对起点的间距分别为0.10.20.30.40.50.60.70.80.9(个别剖面根据实际情况有所调整),7个测点的相对水深分别为0.950.750.500.3750.250.1250.05(某些垂线根据实际情况有所调整),每个点位进行分时测量。

现场测量使用的流速检测设备便携式流速仪型号:NF-ZBX-1,测量范围:5m/s测量精度:1%

2.2河渠剖面流速整体分布规律

一般情况,河渠的截面形状会对水流的状态产生很大的影响,进而影响到此河渠的流速分布。对于宽浅的河渠,流速在垂线方向上的分布梯度较大,垂线平均流速沿河宽方向(横向)的分布较均匀;对于较窄深的河渠,侧壁对流速分布的影响较大,流速沿垂线分布较均匀,但流速在河宽方向的分布梯度较大[8]。因此,对于窄深的河道必须考虑侧壁对流速分布的影响,而对于宽浅的河道侧壁影响则较小。在一定的宽深比范围内,河渠的剖面流速分布在垂向或横向上存在一定的规律。一般认为,当剖面规则且宽深比基本在15以上时,可以认为是宽浅类型的河渠。

以玉溪城市河道现场的两处勘测断面为例,对两处断面的流速数据进行分析,绘制的仿真图如图2、图3所示。横坐标轴X为测点距河岸的距离(单位:m),纵坐标轴Y为测点距水面的距离(单位:m),垂向坐标轴表示流速大小(单位:m/s)。

 1572428112(1).jpg

 

2玉带河汇入玉溪大河下游剖面流速等值

 1572428157(1).jpg

3玉溪大河流出示范区剖面流速等值

由图1、图2可以很直观的看出虽然是不同的河道,但剖面流速分布情况近似。最大流速出现在接近水面的位置,靠近侧边的水流由于受到侧壁的阻力,导致水流速度小于河道中间的水流速度,底部水流速度小于水面的水流速度。表1中对不同河渠剖面的横向与垂向流速的平均变化率(流速变化率=两测点的流速差/两点间的距离)进行了对比,所有被测量河道的垂向流速平均变化率远远大于横向流速平均变化率,这一点与卢金友[8]论文中提到的规律相符。

 

1不同剖面横向、垂向流速平均变化率

点位

宽深比

横向流速变化率(s-1

垂向流速变化率(s-1

玉溪大河流出示范区

15

0.0050

-0.0838

白龙河

23.3

-0.0218

-0.6955

金水河流出示范区

29.16

0.0005

-0.1222

团结河

33.3

-0.0509

-0.8466

玉带河汇入玉溪大河下游

40

-0.0748

-0.8565

玉溪大河

150

0.0025

-0.8750

可见,对于规则的城市河道或明渠,有必要弄清楚垂向的流速分布规律,其直接影响了河渠剖面的流速测量精度。

2.3垂向流速分布规律

1. 现有分布规律算法讨论及存在的问题

在城市河道或明渠环境流速数据研究中(宽深比15以上),在河道中某一相对确定位置,测线离渠壁距离D在某一范围内时,发现各垂线上测点流速与该点所在位置有着紧密、一致的对应关系,无量纲化的相对流速(为点流速,为垂线平均流速)为测点离渠底距离,为水深)的关系在明渠底部内区符合对数分布律[9]

     1

式中:uV分别为测线上任意一点的流速与平均流速;ab为垂向流速分布系数。以玉溪市玉带河汇入玉溪大河下游相对起点距为0.5垂线上的人工测量数据为例,如表2所示。

2玉带河汇入玉溪大河下游断面流速

序号

相对流速(u/V

相对水深(y/H

1

1.082

0.950

2

1.116

0.750

3

1.131

1.056

0.500

4

0.375

5

1.012

0.250

6

0.891

0.125

7

0.711

0.050

尝试用对数分布规律描述无量纲化的相对流速的关系,发现拟合相关性系数仅为0.87。为了更好的体现垂向流速分布情况,孙东坡等人提出实际河道明渠流速的垂线分布更接近于二次函数曲线的特征,垂线上相对流速与相对水深的无量纲函数关系可表示为[10]

    2

上式中参数c ab为垂向流速分布系数。根据对实验数据的分析可知,若使用二次函数来描述垂向流速的分布,其相关性有所提高,但仍然不能精确完整的描述垂向流速分布情况。因此,在一条垂线上单独使用对数函数或二次函数分析所得出的结果误差较大。

2. 针对现有算法问题的解决办法

为了解决现有分析方法在实际应用中存在的问题,且既能保证可实际应用,又能有效提高测量精度,可参照胡云进[9]的方法将垂线分为内区与外区,分别在内区与外区运用不同的公式进行拟合计算,但胡云进未提出内外区分界点的位置。本文对玉溪河道实测的数据进行统计分析,H3断面(玉带河汇入玉溪大河下游断面)数据为例,在进行数据拟合的过程中,通过不断调整两种公式拟合的分界点位,找出最终可使拟合结果与实测数据相关性最高的点。通过对大量数据的对比分析我们发现此分界点一般位于相对水深y/H值为0.6~0.85的位置。因此,针对内区与外区分别用对数函数与二次函数进行拟合,相关系数可达到0.95以上如图4所示。

 

 

1572428236(1).jpg 

4 u/Vy/H的关系示意图

对于宽浅的过水剖面,其中心区为二维流动,各垂线流速分布相同,两侧为受边界粗糙率影响的边壁区,两个区域的分界与水流强度有关。沿剖面横向水流运动可认为是对称的参数a,b,c可借鉴同类道数据。

当河道中心垂向上可同时安装两个测量点时,还可采用两点法来计算垂线的平均流速。河道中心垂向平均流速可用河道中心任意两个流速值和其对应的水位值来求得[11]

                3

式中,分别为两个测量点的流速,两个测量点的流速到河底的距离。将公式(3)中求得的河道中心平均流速代入公式(1),即可求出a


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