本發(fā)明涉及水利工程領(lǐng)域，更具體地，涉及一種渠道流量計(jì)算方法及裝置。

背景技術(shù)：

目前，基于末級灌溉渠系流量量測是實(shí)現(xiàn)灌區(qū)精確配水、科學(xué)調(diào)度和信息化管理的關(guān)鍵。

末級渠系多為弧底梯形渠道，流速分布將有別于傳統(tǒng)矩形渠道或梯形明渠，進(jìn)而使得流量推求有別于傳統(tǒng)矩形或梯形明渠。灌區(qū)明渠內(nèi)水流的流態(tài)變化多樣，因此推求通用的流速計(jì)算方法是十分必要的?，F(xiàn)有技術(shù)中，一般采用計(jì)算渠道流量，其中q為流量、a為渠道橫截面積、v為渠道流速、c為謝才系數(shù)、r為渠槽弧底半徑、i為渠道底坡以及n為渠道邊斷粗糙率，其中所述謝才系數(shù)與斷面形狀、尺寸及渠道邊斷粗糙率有關(guān)。

現(xiàn)有的渠道流量計(jì)算方法在計(jì)算流量時需要嚴(yán)格把控環(huán)境因素的影響，而灌區(qū)水流的現(xiàn)場流態(tài)變化多樣，并不能實(shí)時的獲取環(huán)境因素的資料，這極大的影響了渠道流量的計(jì)算精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的渠道流量計(jì)算方法及裝置。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種渠道流量計(jì)算方法，包括：

基于渠道水位至渠道底部的距離以及渠道斷面上預(yù)設(shè)的各流速測量點(diǎn)的流速，確定所述渠道斷面的流速分布因子；

基于所述渠道斷面的流速分布因子，確定所述渠道斷面上各位置點(diǎn)的流速值；

基于所述渠道斷面上各位置點(diǎn)的流速值以及所述渠道的斷面面積，計(jì)算所述渠道的流量。

其中，所述基于渠道水位至渠道底部的距離以及渠道斷面上預(yù)設(shè)的各流速測量點(diǎn)的流速，確定所述渠道斷面的流速分布因子，包括：

通過下式確定第一流速分布因子：

α1＝(gsh-u*²)/u*²

其中，α1為所述第一流速分布因子、g為重力加速度、s為渠道的坡度、h為所述渠道水位至渠道底部的距離、u*為渠道斷面上的局部摩阻流速；

通過下式確定第二流速分布因子：

其中，α2為所述第二流速分布因子、u和v為所述各流速測量點(diǎn)的縱向和垂向流速；

通過下式確定所述流速分布因子：

α＝α1+α2

其中，α為所述流速分布因子。

其中，所述基于所述渠道斷面的流速分布因子，確定所述渠道斷面上各位置點(diǎn)的流速分布，包括：

通過下式確定所述渠道斷面上各位置點(diǎn)的流速值：

其中，κ為卡門常數(shù)、y為所述渠道斷面上各位置點(diǎn)位置、y0為斷面擬合常數(shù)、u隨y的分布為所述渠道斷面上各位置點(diǎn)的流速值。

其中，所述基于所述渠道斷面上各位置點(diǎn)的流速值以及所述渠道的斷面面積，計(jì)算所述渠道的流量，包括：

計(jì)算所述渠道斷面上各位置點(diǎn)沿渠道斷面法線方向的流速值；

基于所述渠道斷面上各位置點(diǎn)沿渠道斷面法線方向的流速值以及所述渠道的斷面面積，計(jì)算所述渠道的流量。

其中，所述基于所述渠道斷面上各位置點(diǎn)的流速值以及所述渠道的斷面面積，計(jì)算所述渠道的流量，包括：

計(jì)算所述渠道斷面上各位置點(diǎn)沿渠道斷面垂線方向的流速值；

基于所述渠道斷面上各位置點(diǎn)沿渠道斷面垂線方向的流速值以及所述渠道的斷面面積，計(jì)算所述渠道的流量。

另一方面，本發(fā)明提供一種渠道流量計(jì)算裝置，包括：

第一確定模塊，用于基于渠道水位至渠道底部的距離以及所述渠道斷面上預(yù)設(shè)的各流速測量點(diǎn)的流速，確定所述渠道斷面的流速分布因子；

第二確定模塊，用于基于所述渠道斷面的流速分布因子，確定所述渠道斷面上各位置點(diǎn)的流速值；

計(jì)算模塊，用于基于所述渠道斷面上各位置點(diǎn)的流速值以及所述渠道的斷面面積，計(jì)算所述渠道的流量。

其中，第一確定模塊具體用于：

通過下式確定第一流速分布因子：

α1＝(gsh-u*²)/u*²

其中，α1為所述第一流速分布因子、g為重力加速度、s為渠道的坡度、h為所述渠道水位至渠道底部的距離、u*為渠道斷面上的局部摩阻流速；

通過下式確定第二流速分布因子：

其中，α2為所述第二流速分布因子、u和v為所述各流速測量點(diǎn)的縱向和垂向流速；

通過下式確定所述流速分布因子：

α＝α1+α2

其中，α為所述流速分布因子。

其中，第二確定模塊具體用于：

通過下式確定所述渠道斷面上各位置點(diǎn)的流速值：

其中，κ為卡門常數(shù)、y為所述渠道斷面上各位置點(diǎn)位置、y0為斷面擬合常數(shù)、u隨y的分布為所述渠道斷面上各位置點(diǎn)的流速值。

其中，所述計(jì)算模塊具體用于：

計(jì)算所述渠道斷面上各位置點(diǎn)沿渠道斷面法線方向的流速值；

基于所述渠道斷面上各位置點(diǎn)沿渠道斷面法線方向的流速值以及所述渠道的斷面面積，計(jì)算所述渠道的流量。

其中，所述計(jì)算模塊具體用于：

計(jì)算所述渠道斷面上各位置點(diǎn)沿渠道斷面垂線方向的流速值；

基于所述渠道斷面上各位置點(diǎn)沿渠道斷面垂線方向的流速值以及所述渠道的斷面面積，計(jì)算所述渠道的流量。

本發(fā)明提出的一種渠道流量計(jì)算方法及裝置，通過確定渠道斷面的流速分布因子，來對渠道內(nèi)流速進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而推算渠道流量，計(jì)算過程不依賴于渠道環(huán)境因素，提升計(jì)算精度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種渠道流量計(jì)算方法流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種渠道流量計(jì)算裝置結(jié)構(gòu)圖；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種渠道流量計(jì)算方法流程圖，包括s1至s3：

s1、基于渠道水位至渠道底部的距離以及所述渠道斷面上預(yù)設(shè)的各流速測量點(diǎn)的流速，確定所述渠道斷面的流速分布因子；

s2、基于所述渠道斷斷面的流速分布因子，確定所述渠道斷面上各位置點(diǎn)的流速值；

s3、基于所述渠道斷面上各位置點(diǎn)的流速值以及所述渠道的斷面面積，計(jì)算所述渠道的流量。

s1中，所述渠道一般為弧底梯形渠道，可以理解的是，弧底梯形渠道為末級渠系的典型代表，本發(fā)明不對渠道類型做具體限定。

s1中，所述預(yù)設(shè)的各流速測量點(diǎn)的布置規(guī)則本發(fā)明實(shí)施例不對此做具體限定，但布置數(shù)量不可太少，一般布置超過30個測量點(diǎn)。

s1中，所述流速分布因子為影響流速分布的參數(shù)，流速分布因子的確定基于斷面摩阻流速的確定及垂向流速的猝發(fā)現(xiàn)象。

s2中，所述渠道斷面上各位置點(diǎn)的流速值為渠道斷面上任意位置點(diǎn)的流速值，可以理解的是，此處所述各位置點(diǎn)包含s1中所述的預(yù)設(shè)的流速測量點(diǎn)。

s3中，所述計(jì)算渠道的流量是根據(jù)渠道的斷面面積和渠道斷斷面的平均流速的乘積求得，所述渠道斷斷面的平均流速為根據(jù)渠道斷斷面上某一方向上所有位置點(diǎn)流速平均所得。需要說明的是，所述渠道斷面上某一方向是指各測量點(diǎn)沿渠道斷面垂線或者法線方向的流速。

具體的，研究渠道流速分布規(guī)律實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建一個半圓底的水槽，斷上游集水槽對稱與渠道的中心線，使得通道入口處的水流注入條件保持一致。將電子流量計(jì)固定在管道上，用于監(jiān)控渠道流量。

在渠道斷面設(shè)置64個流速測量點(diǎn)，并且h/d＝0.333的條件下測量64個流速測量點(diǎn)處的時均流速，沿法線方向分析實(shí)測值與流速分布計(jì)算公式計(jì)算值的誤差，并同時沿垂向方向分析實(shí)測值與流速分布計(jì)算公式計(jì)算值的誤差，結(jié)果如表1所示。

表1h/d＝0.333時流速分布誤差對照表

其中，h為渠道水位至渠道底部的縱向高度、d為渠道底部的弧底直徑。如表1所示，在沿渠道斷面法線方向計(jì)算時，測量值與實(shí)際值的平均誤差為2.6％，64個測量點(diǎn)中誤差小于5％的占90.8％，并且整體數(shù)據(jù)沒有超過8％的誤差點(diǎn)滿足計(jì)算精度，在沿渠道斷面垂線方向計(jì)算時，測量值與實(shí)際值的平均誤差為4.8％，誤差小于5％的點(diǎn)占46.9％，滿足計(jì)算精度，由此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可證明本發(fā)明實(shí)施例流量計(jì)算的準(zhǔn)確率得到了提高。

由此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可證明本發(fā)明實(shí)施例流速計(jì)算的準(zhǔn)確率得到了提高。

本發(fā)明實(shí)施例通過確定渠道斷面的流速分布因子，來對渠道內(nèi)流速進(jìn)行計(jì)算，并選用沿渠道斷面垂線和法線方向兩個方向進(jìn)行對比計(jì)算，能準(zhǔn)確計(jì)算渠道流量，準(zhǔn)確率得到了提升。

在圖1所述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，所述基于渠道水位至渠道底部的距離以及渠道斷斷面上預(yù)設(shè)的各流速測量點(diǎn)的流速，確定所述渠道斷面的流速分布因子，包括：

通過下式確定第一流速分布因子：

α1＝(gsh-u*²)/u*²

其中，α1為所述第一流速分布因子、g為重力加速度、s為渠道的坡度、h為所述渠道水位至渠道底部的距離、u*為所述渠道斷面上的局部摩阻流速；

通過下式確定第二流速分布因子：

其中，α2為所述第二流速分布因子、u和v為所述各流速測量點(diǎn)的縱向和垂向流速；

通過下式確定所述流速分布因子：

α＝α1+α2

其中，α為所述流速分布因子。

具體的，本發(fā)明實(shí)施例通過提出流速分布因子α來對渠道內(nèi)水流流速分布情形進(jìn)行說明，但不限于此名稱。流速分布因子α為影響流速分布的參數(shù)，由垂向流速的猝發(fā)現(xiàn)象和斷面摩阻流速所得，具體的，可將流速分布因子分為第一流速因子α1和第二流速分布因子α2，當(dāng)水流向下流動時，因?yàn)榱魉僭谒飨蛳铝鲃訒r存在微降現(xiàn)象，所以α＝α1+α2＞0、α1＞0、同理可知，當(dāng)水流向上流動時，α＝α1+α2＜0、α1＞0、-α2＞α1＞0。

本發(fā)明實(shí)施例通過計(jì)算流速分布因子來對渠道內(nèi)水流的整體流速分布進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算中不需要獲取關(guān)于渠道斷面材質(zhì)等環(huán)境因素，計(jì)算方法通用、方便并且準(zhǔn)確率較高。

在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，所述基于所述渠道斷面的流速分布因子，確定所述渠道斷面上各位置點(diǎn)的流速分布，包括：

通過下式確定所述渠道斷面上各位置點(diǎn)的流速值：

其中，κ為卡門常數(shù)、y為所述渠道斷斷面上各位置點(diǎn)位置、y0為斷面擬合常數(shù)、u隨y的分布為所述渠道斷面上各位置點(diǎn)的流速值。

具體的，主要根據(jù)平穩(wěn)水流條件下雷諾平均方程組進(jìn)行流速推求，所述雷諾平均方程組如式(1)和式(2)：

其中u，v，w分別代表x，y，z方向的平均流速，g為重力加速度，s為坡度，μ為雷諾剪切張量部分。對于充分發(fā)展的均勻水流而言，(2)式可以寫為：

公式(3)進(jìn)一步可寫為：

其中ρ為流體密度、μ為流體的粘性系數(shù)；u'，v'，w'代表x，y，z方向紊流流動波動，在二維水流中，式(4)可簡化為：

對式(7)積分得到：

式(8)中，為摩阻流速，h為渠道水位至渠道底部的高度，r為水力半徑，

動量方程可以寫為：

將式(9)代入boussinesq假設(shè)得到：

根據(jù)渦粘性公式：

其中，νt代表渦粘性、κ代表卡門常數(shù)。

將式(10)和式(11)代入式(9)可得：

對式(12)進(jìn)行積分可得：

式(13)中，yo＝ν/(cu*(z))，因?yàn)?imgfile="bda0001259358470000112.gif"wi="230"he="110"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>式(13)可簡化為：

式(14)中，α為所述流速分布因子、κ為卡門常數(shù)、y為所述渠道斷面上各位置點(diǎn)位置、y0為斷面擬合常數(shù)、u隨y的分布為所述渠道斷面上各位置點(diǎn)的流速值。

本發(fā)明實(shí)施例通過代入流速分布因子來推算水流中的任意位置點(diǎn)流速確定出斷面平均流速，計(jì)算過程中簡潔明了，能夠提高計(jì)算效率。

在圖1所述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，所述基于所述渠道斷面上各位置點(diǎn)的流速值以及所述渠道的斷面面積，計(jì)算所述渠道的流量，包括：

計(jì)算所述渠道斷面上各位置點(diǎn)沿渠道斷面法線方向的流速值；

基于所述渠道斷面上各位置點(diǎn)沿渠道斷面法線方向的流速值以及所述渠道的斷面面積，計(jì)算所述渠道的流量。

需要說明的是，由圖1實(shí)施例中的表1可以看出，本發(fā)明實(shí)施例通過確定渠道內(nèi)流速測量點(diǎn)的流速分布因子，來對渠道內(nèi)流速進(jìn)行計(jì)算，并選用沿渠道斷面法線方向進(jìn)行計(jì)算，能準(zhǔn)確計(jì)算渠道流速，準(zhǔn)確率得到了提升。為了證明該結(jié)論，本發(fā)明實(shí)施例改變實(shí)驗(yàn)條件，對渠道流速進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)比對。

具體的，本發(fā)明實(shí)施例選用112個流速測量點(diǎn)，并且h/d＝0.500的條件下沿法線方向分析實(shí)測值與流速分布計(jì)算公式計(jì)算值的誤差，并同時沿垂向方向分析實(shí)測值與流速分布計(jì)算公式計(jì)算值的誤差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2h/d＝0.500時流速分布誤差對照表

如表2所示，在h/d＝0.500時，沿渠道斷面法線計(jì)算的平均誤差為2.9％，而沿渠道斷面垂線方向計(jì)算的平均誤差則達(dá)到11.8％。那么優(yōu)選的，本發(fā)明實(shí)施例采用沿渠道斷面法向方向計(jì)算流速較為合理。

本發(fā)明實(shí)施例采用沿渠道斷面法向方向計(jì)算渠道流量，經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得該計(jì)算方法準(zhǔn)確率高。

在圖1所述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，所述基于所述渠道斷面上各位置點(diǎn)的流速分布以及所述渠道的斷面面積，計(jì)算所述渠道的流量，包括：

計(jì)算所述渠道斷面上各位置點(diǎn)沿渠道斷面垂線方向的流速值；

基于所述渠道斷面上各位置點(diǎn)沿渠道斷面垂線方向的流速值以及所述渠道的斷面面積，計(jì)算所述渠道的流量。

需要說明的是，沿渠道斷面法線方向計(jì)算的結(jié)果要優(yōu)于沿渠道斷面垂線方向上的計(jì)算結(jié)果，沿渠道斷面垂線方向的計(jì)算相對于現(xiàn)有的流量計(jì)算方法在準(zhǔn)確率上也有了較大提升，如表3所示，是采用了100個數(shù)據(jù)測量點(diǎn)的h/d＝0.4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表3h/d＝0.4時流速分布誤差對照表

如表3所示，沿渠道斷面垂線方向計(jì)算的平均誤差為6.8％，這個誤差相對于現(xiàn)有技術(shù)也有顯著的提升，雖然不如沿渠道斷面法線方向的計(jì)算準(zhǔn)確率高，但也滿足計(jì)算精度。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種渠道流量計(jì)算裝置結(jié)構(gòu)圖，包括：

第一確定模塊1、第二確定模塊2和計(jì)算模塊3，其中：

第一確定模塊，用于基于渠道水位至渠道底部的距離以及所述渠道斷面上預(yù)設(shè)的各流速測量點(diǎn)的流速，確定所述渠道斷面的流速分布因子；

第二確定模塊，用于基于所述渠道斷面的流速分布因子，確定所述渠道斷面上各位置點(diǎn)的流速值；

計(jì)算模塊，用于基于所述渠道斷面上各位置點(diǎn)的流速值以及所述渠道的斷面面積，計(jì)算所述渠道的流量。

具體的，第一確定模塊1基于斷面摩阻流速的確定及垂向流速的猝發(fā)現(xiàn)象。

第二確定模塊2確定所述渠道斷面上各位置點(diǎn)的流速值為渠道斷面上任意位置點(diǎn)的流速分布情況，可以理解的是，此處所述各位置點(diǎn)包含s1中所述的預(yù)設(shè)的流速測量點(diǎn)。

計(jì)算模塊3計(jì)算所述計(jì)算渠道的流量是根據(jù)渠道的斷面面積和渠道斷面的平均流速的乘積求得，所述渠道斷面的平均流速為根據(jù)渠道斷面上某一方向上所有位置點(diǎn)流速平均所得。需要說明的是，所述渠道斷面上某一方向是指各測量點(diǎn)沿渠道斷面垂線或者法線方向的流速。

本發(fā)明實(shí)施例通過第一確定模塊確定渠道斷面的流速分布因子，計(jì)算模塊來對渠道內(nèi)流速進(jìn)行計(jì)算，并選用沿渠道斷面垂線和法線方向兩個方向進(jìn)行對比計(jì)算，能準(zhǔn)確計(jì)算渠道流量，準(zhǔn)確率得到了提升。

在圖2所述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，第一確定模塊具體用于：

通過下式確定第一流速分布因子：

α1＝(gsh-u*²)/u*²

其中，α1為所述第一流速分布因子、g為重力加速度、s為渠道的坡度、h為所述渠道水位至渠道底部的距離、u*為所述渠道斷面上的局部摩阻流速；

通過下式確定第二流速分布因子：

其中，α2為所述第二流速分布因子、u和v為所述各流速測量點(diǎn)的縱向和垂向流速；

通過下式確定所述流速分布因子：

α＝α1+α2

其中，α為所述流速分布因子。

具體的第一確定模塊如何確定流速分布因子可參見上述實(shí)施例，此處不再贅述。

在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，第二確定模塊具體用于：

通過下式確定所述渠道斷面上各位置點(diǎn)的流速值：

其中，κ為卡門常數(shù)、y為所述渠道斷面上各位置點(diǎn)位置、y0為斷面擬合常數(shù)、u隨y的分布為所述渠道斷面上各位置點(diǎn)的流速值。

具體的第二確定模塊如何確定流速分布可參見上述實(shí)施例，此處不再贅述。

在圖2所述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，所述計(jì)算模塊具體用于：

計(jì)算所述渠道斷面上各位置點(diǎn)沿渠道斷面法線方向的流速值；

基于所述渠道斷面上各位置點(diǎn)沿渠道斷面法線方向的流速值以及所述渠道的斷面面積，計(jì)算所述渠道的流量。

優(yōu)選的，計(jì)算模塊采用沿渠道斷面法線方向計(jì)算，由上述實(shí)施例提供的表1、表2和表3中數(shù)據(jù)可得證。

本發(fā)明實(shí)施例通過計(jì)算模塊沿渠道斷面法向方向計(jì)算渠道流量，提高了流量計(jì)算的準(zhǔn)確率。

在圖2所述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，所述計(jì)算模塊具體用于：

計(jì)算所述渠道斷面上各位置點(diǎn)沿渠道斷面垂線方向的流速值；

基于所述渠道斷面上各位置點(diǎn)沿渠道斷面垂線方向的流速值以及所述渠道的斷面面積，計(jì)算所述渠道的流量。

計(jì)算模塊采用沿渠道斷面垂線方向計(jì)算的結(jié)果雖然不如沿渠道斷面法線方向的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，但是計(jì)算準(zhǔn)確率比現(xiàn)有技術(shù)也有較大提高。

優(yōu)選的，基于所述渠道斷面上各位置點(diǎn)沿渠道斷面法線方向的流速以及所述渠道的斷面面積，計(jì)算所述渠道的流量與電磁流量計(jì)流量進(jìn)行對比，三種工況下，h/d＝0.333、0.4和0.5時，平均誤差分別為5.5％，6.5％和4.7％。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本發(fā)明實(shí)施例采用沿渠道斷面法向方向計(jì)算渠道流量的計(jì)算方法準(zhǔn)確率高。

本發(fā)明提出的一種渠道流量計(jì)算方法及裝置，通過確定渠道內(nèi)渠道斷面的流速分布因子，來對渠道內(nèi)流速進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而推算斷面平均流速及渠道流量，計(jì)算過程不依賴于渠道環(huán)境因素，提升計(jì)算精度。

最后，本申請的方法僅為較佳的實(shí)施方案，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。