付博，何新林*，陳金水，趙麗，鄧小來(lái)，辛博

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000;2.河海大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京 210006;3.北京聯(lián)創(chuàng)思源測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 102200)

農(nóng)業(yè)用水量占全國(guó)總用水量的61.3%～62.4%，農(nóng)田灌溉用水量占農(nóng)業(yè)用水總量的87.7%.因此，灌溉節(jié)水就成了國(guó)家節(jié)水的重中之重[1-3].為了有效管理并控制灌溉用水量，國(guó)家制定了一系列政策和措施對(duì)灌溉用水從水源至末級(jí)受水單元建立精準(zhǔn)量水體系.“量準(zhǔn)水”就成為灌區(qū)發(fā)展的重要建設(shè)內(nèi)容之一，對(duì)于新型量水設(shè)施的研發(fā)與改進(jìn)是目前灌區(qū)能夠“量準(zhǔn)水”的重點(diǎn)[4].謝崇寶等[5]認(rèn)為目前對(duì)精度高、水頭損失小、經(jīng)濟(jì)、適用性強(qiáng)的新型量水設(shè)施的研發(fā)和推廣力度還不夠.

末級(jí)明渠量水主要有2種方式：堰槽量水和儀器儀表量水[6-7].堰槽的發(fā)展自1888年BAZIN研制出長(zhǎng)喉道量水槽[8]以來(lái)，量水槽種類越來(lái)越多，且測(cè)流精度能夠得到保證，但也存在一些問(wèn)題，以目前應(yīng)用最為廣泛的巴歇爾槽為例，SKOGERBOE等[8]指出巴歇爾槽與其他量水槽一樣，安裝時(shí)無(wú)論縱向還是橫向都要保持一定的水平，才可以達(dá)到較好的量水效果.ABT等[9]指出由于量水設(shè)備的自身重量以及基礎(chǔ)土壤經(jīng)年累月的沉積，可能會(huì)導(dǎo)致巴歇爾槽的沉降對(duì)測(cè)流精度產(chǎn)生影響.ABT等[10]計(jì)算了縱向沉降對(duì)巴歇爾槽量水精度的影響，結(jié)果表明縱向沉降引起的坡度變化對(duì)巴歇爾槽測(cè)流精度有較大影響，當(dāng)縱向坡度的變化范圍為±5%時(shí)，巴歇爾槽流量曲線的最大相對(duì)誤差為 28%；當(dāng)橫向坡度的變化范圍為±5%時(shí)，巴歇爾槽流量曲線的最大相對(duì)誤差為10%.PECK對(duì)淹沒(méi)流情況下巴歇爾槽的一些參數(shù)進(jìn)行整理，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)淹沒(méi)度比較高時(shí)，流量和淹沒(méi)度之間會(huì)呈現(xiàn)一種不連續(xù)性[11]，導(dǎo)致測(cè)流精度降低.儀器儀表量水方法中，以目前較為熱門的超聲波時(shí)差法量水為例，超聲波時(shí)差法測(cè)流最早由德國(guó)RUTTEN提出[11]，其最大的特點(diǎn)是無(wú)接觸式測(cè)量，這決定了它相比于其他傳統(tǒng)流量計(jì)具有精度高、對(duì)水流流場(chǎng)影響小的優(yōu)勢(shì)[12].Instromet和Daniel等公司的產(chǎn)品測(cè)流誤差(管道)小于0.5%，國(guó)內(nèi)大連海峰的產(chǎn)品測(cè)流誤差(管道)小于1%[13].王雪峰[14]認(rèn)為超聲波流量計(jì)對(duì)流場(chǎng)狀態(tài)十分敏感，研究流場(chǎng)是提高精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，然而國(guó)外對(duì)流場(chǎng)狀態(tài)的研究較為完備.目前超聲波測(cè)流研究在管道中應(yīng)用較為廣泛，而對(duì)明渠測(cè)流涉及較少，其主要原因在于明渠水流流場(chǎng)復(fù)雜多變.上述分析表明，堰槽量水的2個(gè)弊端：安裝條件要求較高且實(shí)際施工難度大[15];量水槽在淹沒(méi)出流條件下測(cè)流精度低[16].對(duì)超聲波時(shí)差法測(cè)流而言，流場(chǎng)條件是影響測(cè)流精度的關(guān)鍵因素[17].

方形槽加設(shè)收縮段后測(cè)流的優(yōu)點(diǎn)如下：① 方形槽的測(cè)流原理是流速面積法，可以避免量水槽在淹沒(méi)出流條件下測(cè)流精度低的問(wèn)題.② 收縮段具有提高過(guò)槽水流流場(chǎng)穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而可提高聲波的測(cè)流精度.

文中通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)研究方形槽測(cè)流誤差來(lái)源，并通過(guò)收縮段和水力學(xué)公式來(lái)提高新型超聲波方形量水槽在非淹沒(méi)出流條件下測(cè)流精度.期望為超聲波方形量水槽在灌區(qū)的實(shí)際應(yīng)用提供理論支撐，為灌區(qū)量水提供新思路.

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 超聲波方形量水槽結(jié)構(gòu)與工作原理

超聲波方形量水槽由矩形鋁合金殼體和超聲波換能器等主要部件構(gòu)成，超聲波方形量水槽結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

圖1 超聲波方形量水槽結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of ultrasonic square measu-ring flume

圖2為超聲波時(shí)差法工作原理圖.超聲波方形槽的測(cè)流方法采用流速面積法Q=VA.流速測(cè)量部分，在矩形箱體內(nèi)設(shè)置8層16個(gè)超聲波換能器，每層換能器利用超聲波時(shí)差法測(cè)量該層流速，8層流速取平均值后得到斷面平均流速；水位測(cè)量部分，在矩形箱體側(cè)面設(shè)置電容液位計(jì)，上方設(shè)置超聲波水位計(jì)測(cè)量2組水位數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)上利用中位值濾波法得到斷面平均水位.最后利用流速-面積法得出斷面平均流量.

如圖2所示，超聲波換能器A，B是1對(duì)可輪流發(fā)射或接收超聲波脈沖的換能器.設(shè)超聲波信號(hào)在被測(cè)流體中的速度為c，順流從A到B時(shí)間為t1，逆流從B到A時(shí)間為t2，外界傳輸延遲總時(shí)間為t0.則由幾何關(guān)系可知

圖2 超聲波時(shí)差法工作原理圖Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic time difference method

(1)

(2)

由于c>>v2cos2θ，則

(3)

(4)

式中：c為超聲波信號(hào)在被測(cè)流體中的速度，m/s；Δt為順流、逆流換能器接收信號(hào)的時(shí)差，s；D為渠寬，m；v為斷面平均流速，m/s；t1為順流從A到B時(shí)間，s；t2為逆流從B到A時(shí)間，s；t0為外界傳輸延遲總時(shí)間，s.

1.2 收縮段流量公式推導(dǎo)

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)流量小于0.1 m3/s時(shí)有收縮段的方形槽測(cè)流誤差仍較大，為解決這一問(wèn)題，利用文丘里原理推導(dǎo)出收縮段流量計(jì)算公式代替此流量條件下的方形槽測(cè)流.圖3為試驗(yàn)布置與收縮段水力學(xué)公式計(jì)算斷面劃分示意圖.恒定出流條件下標(biāo)準(zhǔn)收縮段出流，滿足實(shí)際液體恒定總流能量方程和連續(xù)方程.

如圖3所示，對(duì)斷面1-1，2-2列能量方程與連續(xù)方程

圖3 試驗(yàn)布置與收縮段水力學(xué)公式計(jì)算斷面劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of test arrangement and section division by hydraulic formula calculation of contraction section

(5)

A1v1=A2v2,

(6)

(7)

聯(lián)立(5),(6),(7)，得出斷面2-2處斷面平均流速，即

(8)

(9)

進(jìn)而得出流量公式，即

(10)

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為探究新型超聲波方形量水槽測(cè)流誤差來(lái)源，試驗(yàn)于2019年6月在某智慧灌溉中心測(cè)控一體化閘門檢測(cè)站進(jìn)行.恒定出流條件下，渠道水流滿足實(shí)際液體連續(xù)方程和能量方程，并且標(biāo)準(zhǔn)收縮段可利用式(9)進(jìn)行測(cè)流.本試驗(yàn)在保證渠道恒定出流的條件下進(jìn)行如下3組對(duì)比試驗(yàn)：有無(wú)收縮段方形槽與三角堰測(cè)流誤差對(duì)比試驗(yàn)；收縮段公式計(jì)算流量與三角堰流量誤差對(duì)比試驗(yàn).單組試驗(yàn)重復(fù)3次，對(duì)流量、水位、流速等數(shù)據(jù)取平均值后進(jìn)行對(duì)比分析.

智慧灌溉中心測(cè)控一體化閘門檢測(cè)站具有完整的水循環(huán)系統(tǒng)，可保證閘門恒定出流.新型超聲波方形量水槽測(cè)流誤差試驗(yàn)布置如圖3所示，試驗(yàn)渠道坡度為0、斷面底寬0.80 m、上口寬1.94 m、高0.80 m的梯形渠道，沿水流方向依次布設(shè)2個(gè)800 mm×800 mm超聲波方形量水槽及標(biāo)準(zhǔn)直三角堰，1號(hào)方形槽前后設(shè)置收縮角度為30°的收縮段，2號(hào)方形槽無(wú)收縮段.1號(hào)方形槽與閘門間距4 m；1號(hào)方形槽與2號(hào)方形槽間距4 m；2號(hào)方形槽與三角堰間距5 m.為滿足不同流量條件下標(biāo)準(zhǔn)流量的監(jiān)測(cè)，三角堰設(shè)置可更換的卡槽式安裝方式，針對(duì)0.02～0.20 m3/s不同流量范圍下，選擇GB/T 21303—2007中3種不同規(guī)格的三角堰.

2.2 測(cè)定方法

2.2.1 收縮段流量公式計(jì)算相關(guān)物理量測(cè)量方法

測(cè)量斷面1-1，2-2水位時(shí)，取水面寬度的3個(gè)等分點(diǎn)，用帶橡皮套的鋼尺測(cè)量每個(gè)點(diǎn)的水位，并取平均值后得到該斷面平均水深；斷面2-2水面寬利用卷尺測(cè)得；測(cè)量斷面1-1，2-2平均流速時(shí)，用LJ20旋槳式流速儀采用“三點(diǎn)”取樣法計(jì)算斷面平均流速，單點(diǎn)測(cè)量次數(shù)重復(fù)5次.

2.2.2 方形槽和三角堰測(cè)流相關(guān)物理量測(cè)量方法

根據(jù)閘門開(kāi)啟高度確定直角三角堰尺寸，待水流穩(wěn)定后進(jìn)行相關(guān)物理量的記錄和測(cè)量.方形槽的顯示面板可自動(dòng)記錄流量、水位、流速等物理量，抄錄即可.計(jì)算三角堰標(biāo)準(zhǔn)流量需要測(cè)量堰上水頭(自由出流)，上下游水位(淹沒(méi)出流)等物理量由水尺直接讀取獲得.

3 流量誤差結(jié)果對(duì)比分析

3.1 無(wú)收縮段方形槽與三角堰流量誤差分析

6次不同閘門開(kāi)度(6次不同的流量)條件下方形槽(無(wú)收縮段)與三角堰的流量誤差曲線見(jiàn)圖4a.無(wú)收縮段方形槽的整體測(cè)量誤差較大，方形槽測(cè)流誤差隨流量的增大而減小.流量大于0.14 m3/s時(shí)方形槽測(cè)流誤差低于8%，滿足明渠堰槽量水測(cè)流誤差要求.不同流量條件下，方形槽監(jiān)測(cè)的槽內(nèi)的流速分布見(jiàn)圖4b,圖中Qj為三角堰測(cè)流流量，Qf為無(wú)收縮段的方形槽測(cè)流流量，E為三角堰與方形槽的測(cè)流誤差，h閘門為閘門開(kāi)啟的高度，Q為來(lái)水流量，n為方形槽的第n層換能器，t為時(shí)間，h液為水位高.

圖4 2號(hào)方形槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析圖Fig.4 Analysis of No.2 square groove test data

流量小于0.08 m3/s時(shí)流速分布曲線與水力學(xué)二元明渠紊流流速分布(對(duì)數(shù)分布)相差較大，表明流速分布不均勻.流量大于0.08 m3/s時(shí)流速分布曲線與對(duì)數(shù)分布較為接近，表明流速分布較為均勻.橫向觀察圖4曲線發(fā)現(xiàn)，隨著流量的增大，流速出現(xiàn)不變的現(xiàn)象，表明換能器測(cè)流出現(xiàn)延遲現(xiàn)象.根據(jù)流速分布的均勻程度以及與三角堰的測(cè)流誤差大小，水位變化選擇3種流量條件(0.04，0.08，0.14 m3/s)監(jiān)測(cè)，水位變化曲線見(jiàn)圖4c.無(wú)收縮段方形槽內(nèi)在同一流量條件下5 min內(nèi)液位變化幅度大，且隨流量的加大，液位變化幅度有減少的趨勢(shì).

分析流速、水位、誤差3組曲線，發(fā)現(xiàn)隨著流量的增大，流速分布更為均勻，水位趨于穩(wěn)定，相對(duì)應(yīng)的測(cè)流誤差也有減小的趨勢(shì).表明無(wú)收縮段方形槽測(cè)流誤差來(lái)自于流速分布不均勻，水位波動(dòng)性大以及不穩(wěn)定的水位流速條件導(dǎo)致?lián)Q能器測(cè)速出現(xiàn)延遲問(wèn)題.

3.2 有收縮段方形槽與三角堰流量誤差分析

6次不同閘門開(kāi)度(6次不同的流量)條件下方形槽(有收縮段)與三角堰的流量誤差曲線見(jiàn)圖5a，圖中Qg為有收縮段方形槽的測(cè)流流量.方形槽的測(cè)流誤差隨流量的增大而減小，并且有收縮段的1號(hào)方形槽測(cè)流的整體誤差較無(wú)收縮段的2號(hào)方形槽有明顯的減少，整體誤差低于16%.流量大于0.1 m3/s時(shí)測(cè)流誤差低于8%，滿足明渠堰槽量水測(cè)流誤差低于8%的規(guī)范要求.方形槽槽內(nèi)的流速分布圖見(jiàn)圖5b.方形槽內(nèi)不同流量條件下的流速分布均與對(duì)數(shù)分布曲線接近，認(rèn)為流速分布均勻.隨著流量的增大，換能器的流速監(jiān)測(cè)無(wú)不變的現(xiàn)象，認(rèn)為換能器正常工作.水位變化曲線見(jiàn)圖5c.有收縮段的1號(hào)方形槽內(nèi)在同一流量條件下5 min內(nèi)水位變化幅度明顯減少，且0.14 m3/s流量條件下水位趨于定值，但小流量條件下水位波動(dòng)仍較大.

圖5 1號(hào)方形槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析圖Fig.5 Analysis of No.1 square groove test data

分析流速、水位、誤差3組曲線發(fā)現(xiàn)，加設(shè)收縮段的方形槽的流速分布明顯更加均勻，水位穩(wěn)定性也明顯提高，表明收縮段可較好地提高方形槽內(nèi)流速分布均勻度，減少了流場(chǎng)因素對(duì)換能器工作的影響.但流量小于0.1 m3/s時(shí)水位波動(dòng)仍較大，此時(shí)的測(cè)流誤差也不滿足明渠堰槽量水誤差低于8%的規(guī)范要求，水位波動(dòng)問(wèn)題仍未得到解決.

3.3 收縮段公式計(jì)算流量與三角堰流量誤差分析

加設(shè)收縮段的1號(hào)方形槽在流量大于0.1 m3/s的條件下，將方形槽的測(cè)流誤差降低到8%以內(nèi)，滿足了明渠堰槽量水誤差低于8%的規(guī)范要求.但在流量小于0.1 m3/s的條件下，由于水位波動(dòng)，方形槽的測(cè)流誤差仍不滿足明渠堰槽量水誤差應(yīng)低于8%的規(guī)范要求.

計(jì)算流量與三角堰流量存在一定誤差.通過(guò)水力學(xué)文丘里管道測(cè)流原理，推導(dǎo)出收縮段測(cè)流公式(式9).表1為流量公式計(jì)算表，表中W1-1為斷面1-1水面寬，h1-1，h2-2分別為斷面1-1,2-2平均水深，Q計(jì)為水力學(xué)公式計(jì)算流量.

表1 流量公式計(jì)算表Tab.1 Flow formula calculation table

計(jì)算流量誤差曲線見(jiàn)圖6.在流量小于0.12 m3/s的條件下公式計(jì)算流量誤差低于8%以內(nèi)，滿足了明渠堰槽量水誤差低于8%的規(guī)范要求.但隨著流量的增大，收縮段出現(xiàn)淹沒(méi)出流時(shí)，公式計(jì)算流量精度難以保證.

圖6 公式計(jì)算流量與三角堰流量誤差對(duì)比圖Fig.6 Comparison diagram of flow error between for-mula calculation and triangle weir

3.4 不同閘門開(kāi)度下3種測(cè)流形式流量差異分析

不同閘門開(kāi)度下3種測(cè)流形式的流量對(duì)比見(jiàn)表2，表中Qf,Qg分別為無(wú)、有收縮段方形槽流量；Q計(jì)為水力學(xué)公式計(jì)算流量；Ef,Eg，E計(jì)分別為無(wú)收縮段方形槽、有收縮段方形槽以及水力學(xué)公式計(jì)算的流量與三角堰流量的誤差.無(wú)收縮段的方形槽在閘門開(kāi)度50～150 mm(標(biāo)準(zhǔn)流量低于0.1 m3/s)測(cè)流誤差大.通過(guò)流速分布和水位曲線分析，表明此流量范圍下流速分布不均勻；水位波動(dòng)大以及由于流場(chǎng)不穩(wěn)定導(dǎo)致的換能器出現(xiàn)不工作或延遲記錄流速的現(xiàn)象是方形槽測(cè)流誤差大的主要影響因素.

表2 不同閘門開(kāi)度下3種測(cè)流形式的流量對(duì)比Tab.2 Flow comparison of three flow measurement forms under different gate openings

閘門開(kāi)度大于200 mm(標(biāo)準(zhǔn)流量大于0.14 m3/s)時(shí)出現(xiàn)淹沒(méi)出流現(xiàn)象，水位因素不再影響方形槽測(cè)流.分析此流量范圍下的流速分布曲線，表明均勻的流速分布提高了方形槽測(cè)流精度.在不同閘門開(kāi)度下，有收縮段方形槽相比于無(wú)收縮段方形槽的測(cè)流誤差明顯降低，通過(guò)流速分布和水位曲線分析，表明收縮段能夠提高槽內(nèi)流場(chǎng)穩(wěn)定性；但在閘門開(kāi)度小于150 mm(流量小于0.08 m3/s)時(shí)收縮段不能較好地解決水位波動(dòng)大的問(wèn)題，導(dǎo)致方形槽測(cè)流誤差偏大.閘門開(kāi)度大于250 mm后，由于出現(xiàn)淹沒(méi)出流現(xiàn)象，水力學(xué)公式計(jì)算流量誤差偏大.

4 結(jié) 論

1) 無(wú)收縮段的方形槽在淹沒(méi)出流條件下測(cè)流誤差低于8%；有收縮段方形槽在流量大于0.1 m3/s時(shí)，測(cè)流誤差低于8%；流量小于0.1 m3/s時(shí)，收縮段流量公式計(jì)算誤差小于5%.

2) 收縮段提高了方形槽內(nèi)流速分布均勻度和水位穩(wěn)定性，進(jìn)而改善了換能器的工作環(huán)境；但流量小于0.1 m3/s時(shí)，流場(chǎng)對(duì)方形槽測(cè)流精度的影響仍較大，可利用收縮段測(cè)流公式計(jì)算代替方形槽測(cè)流來(lái)解決此問(wèn)題.

3) 槽內(nèi)流速分布均勻度、水位穩(wěn)定性和換能器的工作狀態(tài)是非淹沒(méi)出流條件下新型超聲波方形量水槽測(cè)流誤差的主要影響因素.