河道流量測量技術(shù)的研究進(jìn)展

摘 要：流體力學(xué)作為力學(xué)的一個分支，其研究對象顧名思義是流體比如液體，氣體及流體內(nèi)部的機(jī)械流動。想要很好的研究這門科學(xué)，實(shí)驗(yàn)是必不可少的。而流量的測量在實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)中最基本，也是不可或缺的一部分。流量計是流量測量的主要工具，隨著時間的推移，流量計向著精密化、小型化的趨勢發(fā)展。隨著集成電路和計算機(jī)在流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的廣泛運(yùn)用，超聲波和光學(xué)流量計也得到了廣泛的使用，進(jìn)一步提高了流量測量的能力。本文主要針對明渠水流介紹了幾種流量測量方法及其測量工具和使用的范圍，并對測量技術(shù)的發(fā)展闡述了自己的理解。

關(guān)鍵詞：明渠水流；實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)；流量測量流量計；流速儀

1 測量方法（流量計）

1.1 流速-水位法

流速水位法其測量方法的核心為明渠斷面流速分布經(jīng)驗(yàn)公式，測量其斷面某點(diǎn)流速，斷面的水位，床底的高程，通過計算獲得其斷面流量。其具體方法為將斷面分成若干個分區(qū)，測得斷面某點(diǎn)的流速，水位及床底高程之后，基于斷面垂線流速分布規(guī)律及測點(diǎn)位置、測點(diǎn)流速和水深值，得到流速測點(diǎn)所在垂線的平均流速，再由垂向流速的縱向分布規(guī)律的到各個分區(qū)的中垂線的平均流速，進(jìn)而即可算出各分區(qū)的斷面流量，求和后既得斷面總流量。其流量計算公式為：

1.2 堰槽法

堰槽法基于較穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換公式，將測得的水深通過計算從而得到流量，可以使用的堰槽主要有三角形薄壁堰、矩形薄壁堰、寬頂堰、巴歇爾槽。具體的方法為：使水流通過收縮的過水?dāng)嗝婕右钥刂疲魍ㄟ^最狹窄的部分水流從緩流變?yōu)榧绷鞯倪^度即為臨界流，從而可以得到一個較為穩(wěn)定的水位流量關(guān)系，可以用來計算流量。其計算公式為：

該方法經(jīng)濟(jì)且有效，但是前提是流量水位的關(guān)系式是穩(wěn)定的，但現(xiàn)實(shí)情況中，水位流量關(guān)系式隨著時間變化而變化的。

1.3 電磁感應(yīng)法

基于法拉利電磁感應(yīng)定律，其具體方法是講一個線圈橫埋在河床底部在水下形成一個磁場。水流穿過線圈，切割垂向磁感線產(chǎn)生電磁感應(yīng)使得河流兩邊產(chǎn)生少量電動勢，測量得到所產(chǎn)生的電動勢。河寬，斷面流速，磁場強(qiáng)度與所測得的電動勢成正比，根據(jù)法拉利電磁感應(yīng)定律：e=Bvb，式中，B：磁場的磁通量；v：斷面平均流速：e：感應(yīng)電動勢；b：導(dǎo)體長度，對于明渠河道來說b即是渠道的寬度。

1.4 聲學(xué)時差法

聲音在水中的傳播速度受水溫、鹽度、含沙量等因素的影響，在同一河道中，上述的因素基本保持一致。當(dāng)聲音在水流中順?biāo)畟鞑r，其傳播速度等于聲音在靜水中的傳播速度加上水流速度，當(dāng)聲音在水流中逆水傳播時，其傳播速度等于其在靜水中的傳播速度減去水流速度。將這兩種傳播情況中的時差測出，從而能夠得出水流流速。實(shí)驗(yàn)中將聲學(xué)換能器相距L裝在上下游，先從上游換能器向下游換能器發(fā)射聲波，測出傳播的時間，換一個方向再測一次得到下游到上游傳播時間，其斷面平均流速計算公式：，為上下游

換能器連線與斷面之間的夾角。再用流速面積法運(yùn)用算得的流速和斷面面積的到水流的流量。

1.5 多普勒聲學(xué)法

當(dāng)超聲波在水流中以某一頻率傳播時，遇到水流中的懸移質(zhì)或者氣泡時，會以另一種頻率反射回來，測得其兩種頻率的差值便可計算出這些反射物在水中的速度。這種超聲波遇反射物后的頻率變化叫做多普勒頻移。通?？蓪⒊暡òl(fā)射和接收裝置安裝在船上沿斷面行駛，測得整個斷面的平均流速，再由流速面積法求得水流的流量。

1.6 等面積流速儀法

在渠道的過水?dāng)嗝嫔?，人工修建一個量水涵洞，使這個涵洞不管水位變高變低都浸沒在水中，使其一直保持在滿貫狀態(tài)。因?yàn)榱克赐ǔ］^小，形狀規(guī)則，使用特定的流速儀能夠很方便的測得流速，且能長期進(jìn)行測量工作，并能輸出自動記錄信號，根據(jù)流速面積法便能得到該量水涵洞的流量，該涵洞的流量即可代表其所在過水?dāng)嗝娴牧髁看笮　?/p>

1.7 熱式流量計

其原理流體被外熱源加熱管道加熱產(chǎn)生溫度場的變化，在通過換算來得到流場的流量，加熱流體溫度上升到某一數(shù)值需要的內(nèi)能和流體質(zhì)量的關(guān)系，來得到流體的質(zhì)量與流量的一種方法。這種方法現(xiàn)在較多用的是托馬斯流量計和邊界流層流量計，托馬斯流量計適用于氣體流體，而邊界流層流量計既使用與氣體也適用。這里我們著重的介紹下邊界層流量計，邊界層流量計是一種非接觸性流量計。接觸性流量計直接與流體接觸，久而久之容易腐蝕、磨損甚至爆裂。而非接觸流量計就很好的預(yù)防了上面的問題。邊界流層流量計的加熱線圈繞在管壁外側(cè)，分別在上下游管道外側(cè)加裝兩個溫度傳感器。流體和熱源不直接接觸，中間通過管壁和流動邊界層導(dǎo)熱。其熱能流量轉(zhuǎn)換公式為：

熱分布式流量計，其結(jié)構(gòu)是在去外側(cè)繞有兩個對稱的阻值的相同的線圈，外加兩個相同電阻，組成一個直流電橋，這兩個線圈既可以加溫也可以測溫，向電橋通電即可對流體加熱，對于靜止液體加熱時，兩個線圈的溫度相等。對于流動的液體加熱時，上游線圈的溫度逐漸降低，下游線圈的溫度逐漸上升。由于金屬材料的電阻與溫度成正比，所以這里我們測得兩個線圈此時的電阻即可的到他們的溫度，其溫差流量關(guān)系如下式：

2 對河道流量測量技術(shù)發(fā)展的認(rèn)識

對于流量的測量我監(jiān)控是水資源管理和調(diào)度的必要環(huán)節(jié)，間接對人們的日常生活和功能生產(chǎn)具有重要影響。所以對流量測量的精度，時效性，可行性提出了新的要求。傳統(tǒng)的測量方法如流速面積法雖具有較高的精度，但是自動化程度太低，需要大量的人工操作，且無法做到對于水流流量情況的實(shí)時監(jiān)控。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，特別是傳感技術(shù)的完善，使得流量測量技術(shù)有了很多新的手段，就如本文中介紹的電磁感應(yīng)法，聲學(xué)時差法，多普勒聲學(xué)法，熱傳導(dǎo)法等，測量儀器結(jié)構(gòu)日趨簡單，其中節(jié)流件和轉(zhuǎn)動件較少保證了它的長期工作，便于安裝，自動化程度較高，能對流量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，且具有較高的精度。

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作者簡介

黃志豪（1994-），男，江蘇高郵人，漢族，揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動力科學(xué)學(xué)院，研究生在讀，研究方向：水力學(xué)及河流動力學(xué)。endprint