一种渠道流量计算方法及装置与流程

本发明涉及水利工程领域，更具体地，涉及一种渠道流量计算方法及装置。

背景技术：

目前，基于末级灌溉渠系流量量测是实现灌区精确配水、科学调度和信息化管理的关键。

末级渠系多为弧底梯形渠道，流速分布将有别于传统矩形渠道或梯形明渠，进而使得流量推求有别于传统矩形或梯形明渠。灌区明渠内水流的流态变化多样，因此推求通用的流速计算方法是十分必要的。现有技术中，一般采用计算渠道流量，其中q为流量、a为渠道横截面积、v为渠道流速、c为谢才系数、r为渠槽弧底半径、i为渠道底坡以及n为渠道边断粗糙率，其中所述谢才系数与断面形状、尺寸及渠道边断粗糙率有关。

现有的渠道流量计算方法在计算流量时需要严格把控环境因素的影响，而灌区水流的现场流态变化多样，并不能实时的获取环境因素的资料，这极大的影响了渠道流量的计算精度。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的渠道流量计算方法及装置。

根据本发明的一个方面，提供一种渠道流量计算方法，包括：

基于渠道水位至渠道底部的距离以及渠道断面上预设的各流速测量点的流速，确定所述渠道断面的流速分布因子；

基于所述渠道断面的流速分布因子，确定所述渠道断面上各位置点的流速值；

基于所述渠道断面上各位置点的流速值以及所述渠道的断面面积，计算所述渠道的流量。

其中，所述基于渠道水位至渠道底部的距离以及渠道断面上预设的各流速测量点的流速，确定所述渠道断面的流速分布因子，包括：

通过下式确定第一流速分布因子：

α1＝(gsh-u*²)/u*²

其中，α1为所述第一流速分布因子、g为重力加速度、s为渠道的坡度、h为所述渠道水位至渠道底部的距离、u*为渠道断面上的局部摩阻流速；

通过下式确定第二流速分布因子：

其中，α2为所述第二流速分布因子、u和v为所述各流速测量点的纵向和垂向流速；

通过下式确定所述流速分布因子：

α＝α1+α2

其中，α为所述流速分布因子。

其中，所述基于所述渠道断面的流速分布因子，确定所述渠道断面上各位置点的流速分布，包括：

通过下式确定所述渠道断面上各位置点的流速值：

其中，κ为卡门常数、y为所述渠道断面上各位置点位置、y0为断面拟合常数、u随y的分布为所述渠道断面上各位置点的流速值。

其中，所述基于所述渠道断面上各位置点的流速值以及所述渠道的断面面积，计算所述渠道的流量，包括：

计算所述渠道断面上各位置点沿渠道断面法线方向的流速值；

基于所述渠道断面上各位置点沿渠道断面法线方向的流速值以及所述渠道的断面面积，计算所述渠道的流量。

其中，所述基于所述渠道断面上各位置点的流速值以及所述渠道的断面面积，计算所述渠道的流量，包括：

计算所述渠道断面上各位置点沿渠道断面垂线方向的流速值；

基于所述渠道断面上各位置点沿渠道断面垂线方向的流速值以及所述渠道的断面面积，计算所述渠道的流量。

另一方面，本发明提供一种渠道流量计算装置，包括：

第一确定模块，用于基于渠道水位至渠道底部的距离以及所述渠道断面上预设的各流速测量点的流速，确定所述渠道断面的流速分布因子；

第二确定模块，用于基于所述渠道断面的流速分布因子，确定所述渠道断面上各位置点的流速值；

计算模块，用于基于所述渠道断面上各位置点的流速值以及所述渠道的断面面积，计算所述渠道的流量。

其中，第一确定模块具体用于：

通过下式确定第一流速分布因子：

α1＝(gsh-u*²)/u*²

其中，α1为所述第一流速分布因子、g为重力加速度、s为渠道的坡度、h为所述渠道水位至渠道底部的距离、u*为渠道断面上的局部摩阻流速；

通过下式确定第二流速分布因子：

其中，α2为所述第二流速分布因子、u和v为所述各流速测量点的纵向和垂向流速；

通过下式确定所述流速分布因子：

α＝α1+α2

其中，α为所述流速分布因子。

其中，第二确定模块具体用于：

通过下式确定所述渠道断面上各位置点的流速值：

其中，κ为卡门常数、y为所述渠道断面上各位置点位置、y0为断面拟合常数、u随y的分布为所述渠道断面上各位置点的流速值。

其中，所述计算模块具体用于：

计算所述渠道断面上各位置点沿渠道断面法线方向的流速值；

基于所述渠道断面上各位置点沿渠道断面法线方向的流速值以及所述渠道的断面面积，计算所述渠道的流量。

其中，所述计算模块具体用于：

计算所述渠道断面上各位置点沿渠道断面垂线方向的流速值；

基于所述渠道断面上各位置点沿渠道断面垂线方向的流速值以及所述渠道的断面面积，计算所述渠道的流量。

本发明提出的一种渠道流量计算方法及装置，通过确定渠道断面的流速分布因子，来对渠道内流速进行计算，进而推算渠道流量，计算过程不依赖于渠道环境因素，提升计算精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种渠道流量计算方法流程图；

图2为本发明实施例提供的一种渠道流量计算装置结构图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是本发明实施例提供的一种渠道流量计算方法流程图，包括s1至s3：

s1、基于渠道水位至渠道底部的距离以及所述渠道断面上预设的各流速测量点的流速，确定所述渠道断面的流速分布因子；

s2、基于所述渠道断断面的流速分布因子，确定所述渠道断面上各位置点的流速值；

s3、基于所述渠道断面上各位置点的流速值以及所述渠道的断面面积，计算所述渠道的流量。

s1中，所述渠道一般为弧底梯形渠道，可以理解的是，弧底梯形渠道为末级渠系的典型代表，本发明不对渠道类型做具体限定。

s1中，所述预设的各流速测量点的布置规则本发明实施例不对此做具体限定，但布置数量不可太少，一般布置超过30个测量点。

s1中，所述流速分布因子为影响流速分布的参数，流速分布因子的确定基于断面摩阻流速的确定及垂向流速的猝发现象。

s2中，所述渠道断面上各位置点的流速值为渠道断面上任意位置点的流速值，可以理解的是，此处所述各位置点包含s1中所述的预设的流速测量点。

s3中，所述计算渠道的流量是根据渠道的断面面积和渠道断断面的平均流速的乘积求得，所述渠道断断面的平均流速为根据渠道断断面上某一方向上所有位置点流速平均所得。需要说明的是，所述渠道断面上某一方向是指各测量点沿渠道断面垂线或者法线方向的流速。

具体的，研究渠道流速分布规律实验，构建一个半圆底的水槽，断上游集水槽对称与渠道的中心线，使得通道入口处的水流注入条件保持一致。将电子流量计固定在管道上，用于监控渠道流量。

在渠道断面设置64个流速测量点，并且h/d＝0.333的条件下测量64个流速测量点处的时均流速，沿法线方向分析实测值与流速分布计算公式计算值的误差，并同时沿垂向方向分析实测值与流速分布计算公式计算值的误差，结果如表1所示。

表1h/d＝0.333时流速分布误差对照表

其中，h为渠道水位至渠道底部的纵向高度、d为渠道底部的弧底直径。如表1所示，在沿渠道断面法线方向计算时，测量值与实际值的平均误差为2.6％，64个测量点中误差小于5％的占90.8％，并且整体数据没有超过8％的误差点满足计算精度，在沿渠道断面垂线方向计算时，测量值与实际值的平均误差为4.8％，误差小于5％的点占46.9％，满足计算精度，由此实验数据可证明本发明实施例流量计算的准确率得到了提高。

由此实验数据可证明本发明实施例流速计算的准确率得到了提高。

本发明实施例通过确定渠道断面的流速分布因子，来对渠道内流速进行计算，并选用沿渠道断面垂线和法线方向两个方向进行对比计算，能准确计算渠道流量，准确率得到了提升。

在图1所述实施例的基础上，所述基于渠道水位至渠道底部的距离以及渠道断断面上预设的各流速测量点的流速，确定所述渠道断面的流速分布因子，包括：

通过下式确定第一流速分布因子：

α1＝(gsh-u*²)/u*²

其中，α1为所述第一流速分布因子、g为重力加速度、s为渠道的坡度、h为所述渠道水位至渠道底部的距离、u*为所述渠道断面上的局部摩阻流速；

通过下式确定第二流速分布因子：

其中，α2为所述第二流速分布因子、u和v为所述各流速测量点的纵向和垂向流速；

通过下式确定所述流速分布因子：

α＝α1+α2

其中，α为所述流速分布因子。

具体的，本发明实施例通过提出流速分布因子α来对渠道内水流流速分布情形进行说明，但不限于此名称。流速分布因子α为影响流速分布的参数，由垂向流速的猝发现象和断面摩阻流速所得，具体的，可将流速分布因子分为第一流速因子α1和第二流速分布因子α2，当水流向下流动时，因为流速在水流向下流动时存在微降现象，所以α＝α1+α2＞0、α1＞0、同理可知，当水流向上流动时，α＝α1+α2＜0、α1＞0、-α2＞α1＞0。

本发明实施例通过计算流速分布因子来对渠道内水流的整体流速分布进行计算，在计算中不需要获取关于渠道断面材质等环境因素，计算方法通用、方便并且准确率较高。

在上述实施例的基础上，所述基于所述渠道断面的流速分布因子，确定所述渠道断面上各位置点的流速分布，包括：

通过下式确定所述渠道断面上各位置点的流速值：

其中，κ为卡门常数、y为所述渠道断断面上各位置点位置、y0为断面拟合常数、u随y的分布为所述渠道断面上各位置点的流速值。

具体的，主要根据平稳水流条件下雷诺平均方程组进行流速推求，所述雷诺平均方程组如式(1)和式(2)：

其中u，v，w分别代表x，y，z方向的平均流速，g为重力加速度，s为坡度，μ为雷诺剪切张量部分。对于充分发展的均匀水流而言，(2)式可以写为：

公式(3)进一步可写为：

其中ρ为流体密度、μ为流体的粘性系数；u'，v'，w'代表x，y，z方向紊流流动波动，在二维水流中，式(4)可简化为：

对式(7)积分得到：

式(8)中，为摩阻流速，h为渠道水位至渠道底部的高度，r为水力半径，

动量方程可以写为：

将式(9)代入boussinesq假设得到：

根据涡粘性公式：

其中，νt代表涡粘性、κ代表卡门常数。

将式(10)和式(11)代入式(9)可得：

对式(12)进行积分可得：

式(13)中，yo＝ν/(cu*(z))，因为式(13)可简化为：

式(14)中，α为所述流速分布因子、κ为卡门常数、y为所述渠道断面上各位置点位置、y0为断面拟合常数、u随y的分布为所述渠道断面上各位置点的流速值。

本发明实施例通过代入流速分布因子来推算水流中的任意位置点流速确定出断面平均流速，计算过程中简洁明了，能够提高计算效率。

在图1所述实施例的基础上，所述基于所述渠道断面上各位置点的流速值以及所述渠道的断面面积，计算所述渠道的流量，包括：

计算所述渠道断面上各位置点沿渠道断面法线方向的流速值；

基于所述渠道断面上各位置点沿渠道断面法线方向的流速值以及所述渠道的断面面积，计算所述渠道的流量。

需要说明的是，由图1实施例中的表1可以看出，本发明实施例通过确定渠道内流速测量点的流速分布因子，来对渠道内流速进行计算，并选用沿渠道断面法线方向进行计算，能准确计算渠道流速，准确率得到了提升。为了证明该结论，本发明实施例改变实验条件，对渠道流速进一步实验比对。

具体的，本发明实施例选用112个流速测量点，并且h/d＝0.500的条件下沿法线方向分析实测值与流速分布计算公式计算值的误差，并同时沿垂向方向分析实测值与流速分布计算公式计算值的误差，实验结果如表2所示。

表2h/d＝0.500时流速分布误差对照表

如表2所示，在h/d＝0.500时，沿渠道断面法线计算的平均误差为2.9％，而沿渠道断面垂线方向计算的平均误差则达到11.8％。那么优选的，本发明实施例采用沿渠道断面法向方向计算流速较为合理。

本发明实施例采用沿渠道断面法向方向计算渠道流量，经实验数据可得该计算方法准确率高。

在图1所述实施例的基础上，所述基于所述渠道断面上各位置点的流速分布以及所述渠道的断面面积，计算所述渠道的流量，包括：

计算所述渠道断面上各位置点沿渠道断面垂线方向的流速值；

基于所述渠道断面上各位置点沿渠道断面垂线方向的流速值以及所述渠道的断面面积，计算所述渠道的流量。

需要说明的是，沿渠道断面法线方向计算的结果要优于沿渠道断面垂线方向上的计算结果，沿渠道断面垂线方向的计算相对于现有的流量计算方法在准确率上也有了较大提升，如表3所示，是采用了100个数据测量点的h/d＝0.4的实验结果。

表3h/d＝0.4时流速分布误差对照表

如表3所示，沿渠道断面垂线方向计算的平均误差为6.8％，这个误差相对于现有技术也有显著的提升，虽然不如沿渠道断面法线方向的计算准确率高，但也满足计算精度。

图2是本发明实施例提供的一种渠道流量计算装置结构图，包括：

第一确定模块1、第二确定模块2和计算模块3，其中：

第一确定模块，用于基于渠道水位至渠道底部的距离以及所述渠道断面上预设的各流速测量点的流速，确定所述渠道断面的流速分布因子；

第二确定模块，用于基于所述渠道断面的流速分布因子，确定所述渠道断面上各位置点的流速值；

计算模块，用于基于所述渠道断面上各位置点的流速值以及所述渠道的断面面积，计算所述渠道的流量。

具体的，第一确定模块1基于断面摩阻流速的确定及垂向流速的猝发现象。

第二确定模块2确定所述渠道断面上各位置点的流速值为渠道断面上任意位置点的流速分布情况，可以理解的是，此处所述各位置点包含s1中所述的预设的流速测量点。

计算模块3计算所述计算渠道的流量是根据渠道的断面面积和渠道断面的平均流速的乘积求得，所述渠道断面的平均流速为根据渠道断面上某一方向上所有位置点流速平均所得。需要说明的是，所述渠道断面上某一方向是指各测量点沿渠道断面垂线或者法线方向的流速。

本发明实施例通过第一确定模块确定渠道断面的流速分布因子，计算模块来对渠道内流速进行计算，并选用沿渠道断面垂线和法线方向两个方向进行对比计算，能准确计算渠道流量，准确率得到了提升。

在图2所述实施例的基础上，第一确定模块具体用于：

通过下式确定第一流速分布因子：

α1＝(gsh-u*²)/u*²

其中，α1为所述第一流速分布因子、g为重力加速度、s为渠道的坡度、h为所述渠道水位至渠道底部的距离、u*为所述渠道断面上的局部摩阻流速；

通过下式确定第二流速分布因子：

其中，α2为所述第二流速分布因子、u和v为所述各流速测量点的纵向和垂向流速；

通过下式确定所述流速分布因子：

α＝α1+α2

其中，α为所述流速分布因子。

具体的第一确定模块如何确定流速分布因子可参见上述实施例，此处不再赘述。

在上述实施例的基础上，第二确定模块具体用于：

通过下式确定所述渠道断面上各位置点的流速值：

其中，κ为卡门常数、y为所述渠道断面上各位置点位置、y0为断面拟合常数、u随y的分布为所述渠道断面上各位置点的流速值。

具体的第二确定模块如何确定流速分布可参见上述实施例，此处不再赘述。

在图2所述实施例的基础上，所述计算模块具体用于：

计算所述渠道断面上各位置点沿渠道断面法线方向的流速值；

基于所述渠道断面上各位置点沿渠道断面法线方向的流速值以及所述渠道的断面面积，计算所述渠道的流量。

优选的，计算模块采用沿渠道断面法线方向计算，由上述实施例提供的表1、表2和表3中数据可得证。

本发明实施例通过计算模块沿渠道断面法向方向计算渠道流量，提高了流量计算的准确率。

在图2所述实施例的基础上，所述计算模块具体用于：

计算所述渠道断面上各位置点沿渠道断面垂线方向的流速值；

基于所述渠道断面上各位置点沿渠道断面垂线方向的流速值以及所述渠道的断面面积，计算所述渠道的流量。

计算模块采用沿渠道断面垂线方向计算的结果虽然不如沿渠道断面法线方向的计算结果准确，但是计算准确率比现有技术也有较大提高。

优选的，基于所述渠道断面上各位置点沿渠道断面法线方向的流速以及所述渠道的断面面积，计算所述渠道的流量与电磁流量计流量进行对比，三种工况下，h/d＝0.333、0.4和0.5时，平均误差分别为5.5％，6.5％和4.7％。实验结果证明本发明实施例采用沿渠道断面法向方向计算渠道流量的计算方法准确率高。

本发明提出的一种渠道流量计算方法及装置，通过确定渠道内渠道断面的流速分布因子，来对渠道内流速进行计算，进而推算断面平均流速及渠道流量，计算过程不依赖于渠道环境因素，提升计算精度。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。