梯形渠道断面平均流速与单点流速关系研究.docx

1、梯形渠道断面平均流速与单点流速关系研究刘鸿涛1,李延和J黄金林I(1-长春工程学院，长春130012；2.吉林省前郭灌区灌溉管理局，吉林松原131100)摘要梯形渠道以其过流能力大、输沙能力强、施工简便的特点，在灌区得到了广泛应用。对梯形渠道断面平均流速与点流速间的关系进行了试验研究，发现过水断面最大流速点在液面以下，用对数律流速分布形式和抛物线形式拟合的中垂线流速分布曲线都具有一定的误差。进一步引入尾流函数进行分析，拟合曲线交点流速值近似等于过水断面的平均流速，平均流速点位于中垂线上0.120.13倍水深之间。关键词平均流速；流量；流速仪；渠道中图分类号S274.4文献标识码A文章编号100

2、6-7175(2011)06-0005-03收稿日期2011-02-25基金项目吉林省教育厅科学技术研究项目(20110236);吉林省科技厅支撑计划重点项目(20090259)作者简介刘鸿涛(1979-)，男，河北安新人，工程师，硕士，主要从事渠道量水方面的研究;李延和(1969-)，男，山东郛城人，高级工程师，学士，主要从事灌溉工程的建设和管理工作;黄金林(1963-),男，吉林九台人，教授，博士，主要从事水利工程专业的教学、科研和教务管理工作.随着社会经济迅速发展，农业用水与工业和城市用水之间的矛盾日益加剧。加强农业用水管理，提高灌溉水利用效率，成为解决矛盾的有效方法之一。本文旨在从理论

3、与实际工程角度，探索渠道断面平均流速与点流速之间的关系，进而得到更简便、更精确的渠道流量计算方法。用适当的测流方法对梯形渠道断面流速分布规律进行研究，在准确掌握了流速分布规律之后，就可以根据流速分布的特点，探求流量的计算公式，为渠道水利计算提供依据。本文通过对梯形渠道断面流速分布规律的探讨，验证垂向流速分布规律,进一步引入尾流函数进行分析，拟合曲线交点流速值近似等于过水断面的平均流速,平均流速点位于中垂线上0.12-0.13倍水深之间，可以提高流速仪测流精度，简化测流过程。1模型试验模型试验在长春工程学院水利馆进行。梯形渠道底宽为20cm,渠深为40cm,边坡系数m为1.5,渠长为20m,渠道

4、断面示意图见图1。试验水温在15T左右，测流断面选择在渠道中部水流平稳处，渠道出口处安装螺杆启闭式钢闸门，调节和控制渠道水位。图1试验梯形渠道断面示意图本次试验使用了由南京水科所研制的LGY-III型流速量测系统和旋桨式光电流速仪，其测量范围可达0土250cm/s,测量精度为0.01cm/so试验流量用BFG-S型电磁流量计量测，读数精度达0.01L/s。此外，试验过程中还用到水位测针、自制流速仪固定台车、SYLG_003型水准仪等。试验现场见图2。图2模型试验照片2摩阻流速确定方法根据明渠均匀流的阻力平衡求摩阻流速。该方法需要精确地量测渠道的底坡和水面坡度，均匀流必须保证水面平行于渠底。考虑

5、边壁影响后得出的摩阻流速计算公式为：=/&RJ（1）式中j为摩阻流速;g为重力加速度；R为水力半径；J为水力坡度。3 过水断面最大流速位置根据现有研究成果，由梯形渠道的对称性可知，断面最大流速必然发生在中垂线上。本次试验通过多组梯形渠道试验实测资料,绘制出了不同流量和不同水深情况下的中垂线流速示意图（图3图6）。竖向流速的尾流函数分析根据1956年Coles提出二位不可压缩紊流边界层流动的流速分布可以表示为对数律和尾流律的线性组合,将垂线流速分布表示为：检伽（乎）+B+2%in2（ff）（2）式中*为运动粘度系数;"为摩阻流速;a为卡门常数;n为尾流强度系数。取卡门常数*=o

6、.4i,尾流强度系数分别取n=oji=0.2、H=0.4、n=0.6、ri=L0、II=1.50利用式（2）对各流量下的中垂线流速进行拟合，并绘制不同流量、不同水深条件下的流速拟合曲线图，见图7图10。图7图10中：纵轴=4-乎sir?（七）u,kH2横轴=log（yu*/p）191817161514131211191817161514131211尾流强度系数0尾流强度系数0.2尾流强度系数0.4*尾流强度系数0.6*尾流强度系数1尾流强度系板1.5/T=0.9633R2=o.9692序=0.9715RW.9701R2=o.9637/T=0.9633R2=o.9692序=0.9715RW.97

7、01R2=o.96370=40.44L/bH=20.52cm2.4 2.62.83.03.23.43.63.8图7由尾流函数拟合中垂线流速图（Q）r+图4中垂线流速示意图M）2120191817+16S151413121110X尾流强度系数1.5Q=34.17L/sH=15.6cm.尾流强度系数0尾流强度系数0.2尾流强度系数0.4x尾流强度系数0.6-二尾流强度系数1B2=0.967R2=o.9678/f=0.9668B2=0.9649fr=0.9601冷=0.95412.42.62.83.03.23.43.63.8/+图8由尾流函数拟合中垂线流速图（6）图5中垂线流速示意图（c）27262

8、5242322212019181716尾流强度系数0尾流强度系数0.2尾流强度系数0.4x尾流强度系数0.6*尾流强度系数1尾流强度系数L50=40.44L/sH=16.89cm丑2=0.9082R2=o.9324R2=0.949R2=o.96O3R2=0.9724H2=0.9771图6中垂线流速示意图以）图3图6中，。为流量;/为测量断面水深;y表示测点距离渠底的高度;“为对应测点的流速值，曲线表示中垂线流速沿竖直方向的分布趋势。由图3图6可知,梯形断面渠道最大流速均发生在水面以下。2.62.83.03.23.43.63.8，+图9由尾流函数拟合中垂线流速图（c）在流量不变、调节水深的情况下

9、，拟合曲线相交于一点；同样在流量、水深、尾流强度都变化的情况下，拟合曲线仍交于一点，拟合曲线的R2=0.95左右。由于过水断面最大流速发生在水面以下，使得在水面以下附近的流26252423222120191817162625242322212019181716246511L9OOOO11系系系系系系强强强强强强届屈居尾尾尾Q=34.17L/sH=15cm肥=0.8938RJ0.9185=0.9364RMK9492屈=0.9646RMJ.97292.62.83.03.23.43.6图10由尾流函数拟合中垂线流速图(d)速偏离尾流函数曲线较大，尾流强度n=o,即方程为对数形式时，拟合曲线相关性较低

10、。随着尾流强度的增大，拟合曲线相关性增大，当尾流强度系数增大到0.6以后，拟合的相关性逐渐减小，所以可以确定公式中尾流系数H=0.6,左=0.41°平均流速点位置的分析平均流速点位置的确定，可以为简化和精确测量渠道流量提供理论依据。通过上述尾流律的拟合研究，可知同一流量下随着尾流强度系数不同，拟合曲线交于一点，对多组实测流速资料进行分析,计算出各交点位置与相应水深的关系，见表1。从表1中可以看出，不同水力特性条件下，中垂线上的交点水深与测线水深之比为0.120.13。符合中垂线交点水深y与断面水深H之间的关系为y=0.1HO.2/7的已有研究成果。表1中垂线交点水深与测J线水深关系表

11、序号流量。/Ls'*断面水深H/cm交点处左点处水深:r/cmy/H134.1715.02.651.950.13234.1715.62.662.050.13340.4416.892.722.110.12440.4420.522.812.520.12利用交点位置相对稳定的特点，用流速仪测量交点流速值,利用计算的断面平均流速，建立二者之间的关系，见图11O从图1中可以看出，平均流速与交点流速值有很好的相关性,尽=0.96。可以近似认为交点位置流速值与断面平均流速值近似相等，即交点流速位置就是平均流速值所在的位置。4 结论与建议本文在分析国内外学者对明渠水流特性研究的基础上，对梯形渠道过水断

12、面进行了试验观测。经过理论分析和实验数据处理,得到了以下结论：(1) 梯形渠道过水断面最大流速发生在自由液面以下，并位于过水断面中垂线上。(2) 中垂线流速的分布与对数律流速分布形式和抛物线分布形式比较类似，对数分布形式拟合的序在0.92左右,抛物线分布形式拟合的舟在0.96左右。(3) 经过理论分析试验资料，外区流速可引入用尾流函数公式修正后的对数公式进行表达,其中卡门常数L二0.41,尾流强度系数n=o.60(4) 交点水深y与测线水深H之比在0.120.13之间，又得到拟合曲线的交点处的流速近似于过水断面的平均流速，且®=0.96,可见交点流速与平均流速是基本相等的。本次试验是在实验室条件下进行的，且试验组次相对有限。本文结论若要应用于实际，还需要进一步的原型试验修正。参考文献1 IS01100-1-1996,明渠水流测量ISO标准手册J.2 吕宏兴，裴国霞,杨玲霞.水力学M.北京：中国农业出版社,2002.3 刘焕芳，吕宏兴.高等流体力学M.北京：中国