U形渠道浮标测流法实验研究

摘 要：本文主要是通过对U形渠道浮标测流技术的研究，得到了不同淹没度下浮标测流系数及其流量计算公式，并将计算流量与实测流量进行对比分析，结果表明，计算值与实测值吻合度较好，误差较小，从而证明建立的流量计算公式是合理可靠的，并得出在实际测流时选取淹没度为0.5的浮标（乒乓球）测量结果较精确，为U形渠道浮标测流提供了一定的依据。

关键词：U形渠道；浮标测流；淹没度；浮标系数；流量公式

Abstract: This paper is mainly through the study of U shaped channel flow measurement technology, has been under different submergence flow measurement coefficient and flow calculation formula, and the calculated flow and the measured flow were analyzed, results show that, the calculated values and the measured values, the error is small, which proves that the flow the formula is reasonable and reliable, and obtained in the actual flow measurement were flooded degree 0.5 buoy (table tennis) measurement more accurate result, provides the basis for the U shaped channel flow measurement buoy.

Keywords: U channel; flow measurement; submergence; buoy coefficient; flow formula

中图分类号：[TV91] 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）

1 引 言

浮标测流法是用于测量水文数据资料的有效方法之一，通常在超出流速仪的测速范围或者利用流速仪测流比较困难的情况下，结合测流仪器和量水设施进行流量观测。浮标测流系数是影响计算结果精度的主要因素之一。本文通过对U形渠道中浮标淹没度的分析，确定了不同淹没度下的浮标测流系数及流量公式，并将计算结果与试验结果进行对比，分析了不同淹没度下的浮标测流精度。

2 流量公式[1][2]

流速仪测流原理中指出，通过全断面的流量为：

（1）

其中，对数流速分布曲线方程

（2）

则断面流量

（3）

式中，为最大流速（m/s），是由计算得出的虚流量（），为卡尔曼常数，为摩阻流速。

由（3）式可知虚流量与断面流量之间存在一定关系，通常用下式表示：

（4）

式中，为浮标系数。可见，浮标测流的主要是对虚流量和浮标系数的确定。

作者简介：于佳（1986¯），女，陕西西安人，硕士研究生，主要从事水力学及水工建造物方面的研究

3 试验方法

试验在上部直线段梯形、底部圆弧弓形的U形混凝土明渠中进行。试验渠道深0.6m，长38m，底弧半径为0.2m，底弧圆心角为，底弧弓形高0.152 m，边坡系数0.25，底坡i为0.001。试验选取形状规则，质量小，且受力均匀的乒乓球作为浮标，通过向乒乓球内注水的方式来改变浮标淹没度。本文将浮标淹没度T定义为球体注水体积与球体体积之比，即

(5)

取流态较稳定的渠道中间段20m的距离为浮标观测段,水槽末端通过调节木制挡水板控制测量段水位。在观测段先后投放三次浮标，若前后时间差不超过±5%，则取其平均值作为浮标历时，计算虚流速。如果各次历时相差过大，则需重测，以保证测定数据的准确性 [3][4][5]。

渠道流量采用直角三角形量水堰测定，流量公式为。得到渠道流量后，根据公式计算得到每组流量下的渠道平均流速。

4 试验结果及分析

本文选取浮标淹没度分别为0、0.25、0.5、0.75和0.92时的试验结果分析淹没度的变化对虚流速和浮标系数的影响。当淹没度为0.92时，浮标正好处于完全淹没的临界状态。

4.1 浮标淹没度变化对虚流速的影响

同一流量不同淹没度下浮标测得的虚流速见图1，图中为过水断面平均流速（cm/s）；为浮标测得的虚流速（cm/s）。

图1 浮标历时数据分析

由图1可以看出，同一流量下，虚流速会随着淹没度的增大而增大。这是因为最大流速位置通常位于自由水面以下，所以随着浮标淹没度的增加，虚流速也逐渐接近于最大流速，因此浮标历时减小，虚流速增大。由流量与流速关系可知，虚流量与虚流速的变化规律一致。

4.2 浮标淹没度变化对浮标系数的影响

图2虚流速与断面平均流速关系图

图2为相同淹没度下虚流速与断面平均流速的对比。由图中可以看出断面平均流速与虚流速之间存在着正比例线性关系，由于同一流量下过水断面面积保持不变，则由（4）式可知其比例系数即为浮标系数Kf。可以看出浮标系数随着淹没度的增大而减小，与之间的相关系数则先变大再减小，当浮标淹没度T=0.5时，相关性较好，其它淹没度下相关系数也均在0.84以上。因此，可以得到不同淹没度下的U形渠道浮标（乒乓球）测流公式，如表1所示。

表1 不同淹没度下浮标流量公式

4.3 测流误差分析

根据提出的浮标测流公式，将计算流量与实测流量进行对比分析，结果如表2所示。可以看出，实测值与计算值之间吻合度较高，平均相对误差均小于5%，表明浮标测流结果具有较高的精度。当浮标淹没度为0.5时，平均相对误差仅为1.45%，说明在实际测流时宜选用填充度为0.5的浮标进行测量。

表2 实测流量与计算流量对比

5 结论

1、通过对不同浮标淹没度的分析，发现虚流量会随着浮标淹没度的增加而增大。

2、将相同淹没度下虚流速与断面平均流速进行对比分析，得到了不同淹没度下浮标的测流公式，并将实测值与计算值进行对比分析，验证了测流公式的可靠性。

3、在实际测流时建议选取淹没度为0.5的浮标（乒乓球）进行测量。

参考文献

[1] 陈玉璞.流体动力学[M]. 南京:河海大学出版社，1990.

[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] 水利电力部水利司. 水文测验手册[S]. 北京：水利电力出版社出版，1975.

[4] 水利电力部水文局等译. 明渠水流测量[S]. 北京：中国标准出版社，1985.

[5] 高杨.U形渠道水力特性及测流试验研究[D].西北农林科技大学，2011.