一种不规则断面的自发电测流系统及方法与流程

本发明属于水力机械领域，更具体地，涉及一种不规则的自发电测流系统及方法。

背景技术：

平原地区调水排灌机组在大范围的农田和区域抗旱、排涝、城镇供水、污水排放、远距离供水等方面起着关键的作用，为保障人民生命财产安全、国民经济社会建设顺利进行和生态良性发展做出了重大贡献。平原地区调水排灌机组普遍泵站流量大，单机设计流量25m3/s以上，扬程比较低，设计扬程在1.0～10.0m左右。因此，平原地区调水排灌机组主要采用轴流式和贯流式水泵机组，而贯流式水泵机组成为比较好的选择，在平原地区调水排灌中发挥着重要的作用。

水泵机组在稳态运行时，轴流式机组在设计工况运行比较稳定，但在小流量工况运行时容易进入水力不稳定工况。国内的测流方法有流速仪法、五孔探针法、食盐浓度法和压差法等。流速仪测量泵站明渠或进水流道进口流量，工作量大，对于测流断面要求苛刻，流速仪钢架面积大，对流场干扰明显，增加流道阻力，影响水泵装置性能，流速仪机械部件多，可靠性较低，测量精度低；差压法测流量对于低扬程大流量泵站，难以找到一个合适的率定位置进行测流，测量误差大；食盐浓度法对于流道条件没有要求，但是测量精度较低；五孔探针法是利用探针针孔压差与测点流速之间的关系确定被测点流速，这种方法测流时间较长，每更换一个测点都有一个稳定的时间，而且耗费大量的人力和物力，另外，当机组运行偏离较优工况时，测量的误差较大。上述方法测量误差约为±3％～±4％，而且重复性差。美国ads子公司accusonic产品，被称为“世界时差法超声测流计超声波测流计的领导者”，但对于复杂不规则断面，该产品不能解决通道数、积分常数等问题，因此不能解决低扬程泵站复杂不规则断面测流问题。

超声测流计超声波测流计

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于一种不规则的自发电测流系统及方法，旨在解决现今测流装置对于流道直径大、管道长度短、流态复杂而不能得到准确测得流道流量的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种不规则断面的自发电测流系统，包括电磁流量计、阀门、循环供水泵、循环管道、第一稳流槽、压力箱、流道、第二稳流槽、尾水箱以及超声波测流计，阀门、循环供水泵、循环管道依次设置在电磁流量计一侧，所述循环供水泵为自发电测流系统提供水流循环动力；第一稳流槽、压力箱、流道、第二稳流槽、尾水箱依次设置在电磁流量计的另一侧，并与循环管道连接，第一稳流槽和第二稳流槽使水流在压力箱与尾水箱之间的水流流动趋于稳定，作为测量段；

超声波测流计通过多声路过轴线的交叉布置方式使每个声路均通过流道轴线上的一点，采用时差法进行测量。

优选地，流道为圆台流道。

优选地，超声波测流计共有16个1a～8a、1b～8b，均匀分布在流道的第一断面和第二断面，形成四对声路1a1b-8a8b、2a2b-7a7b、3a3b-6a6b、4a4b-5a5b。

优选地，每个声路通过流道轴线的同一点，各个轴截面都是全等的梯形，每个声路与轴线间的夹角为49°，各个轴截面与竖直方向分别成36°和72°。

优选地，超声波测流计1a～4a、5a～8a沿竖直方向对称分布在第一断面，分别间隔36°，超声波测流计1b～4b、5b～8b沿竖直方向对称分布在第二断面，分别间隔36°，每个声路的两个超声波测流计处在同一直线上。

优选地，本系统还包括水力发电机、充电器和电池，发电机设置在流道内，充电器将发电机产生的交流电转化为直流电给电池进行充电，电池为超声波测流计提供稳定电能。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于上述装置的不规则断面的自发电测流方法，包括以下步骤：

对简化后的流道进行数值模拟得到流道内的流速分布，根据流速分布确定超声波测流计的安装位置；

在流道的第一断面和第二断面布置超声测流计，在待测流量下采用时差法进行测量；

待超声波测流计的数值稳定后，记录各声路的流速，计算流断面的大小，流断面大小为电磁流量计读取数值与超声波测流计读取数值的比值；

调整流量大小，进行重复实验，求流断面大小的平均值。

优选地，四对时差法超声波测流计共有16个1a～8a、1b～8b，均匀分布在流道的第一断面和第二断面，形成四对声路1a1b-8a8b、2a2b-7a7b、3a3b-6a6b、4a4b-5a5b，每个声路通过流道轴线的同一点，各个轴截面都是全等的梯形，每个声路与轴线间的夹角为49°，各个轴截面与竖直方向分别成36°和72°。超声波测流计1a～4a、5a～8a沿竖直方向对称分布在第一断面，分别间隔36°，超声波测流计1b～4b、5b～8b沿竖直方向对称分布在第二断面，分别间隔36°，每个声路的两个超声波测流计处在同一直线上。

其中，简化后的流道是在保证力学相似和测量区域内流态与原始流道相同的前提下对原始流道进行近似的。利用数值模拟软件对简化后的流道进行数值模拟，可以得到原始流道流速分布有较强一致性的区域。将超声测流计布置在此区域，每隔1s超声测流计自动采集所在流道的流速；分别取大小不同的六个流量进行六次实验，流量和流速的比值为流断面面积；计算每次实验的流断面数值大小并求出平均值，即为此种超声波测流计布置方式下的流断面面积。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于将数值模拟和模型试验相结合，通过将四对超声波测流计进行过轴线交叉布置，综合分析不同流量下每组超声波测流计的测量数据，从而得到测流断面的面积。解决了现有技术无法实现大直径、短流道、复杂流态下的流量测量或偏差较大的问题。

附图说明

图1是本发明提供的不规则断面的自发电测流系统的结构示意图；

图2是本发明提供的不规则断面的自发电测流系统的流道的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的流道三维模型图；

图4是本发明实施例提供的不规则断面的自发电测流系统中超声测流计的分布示意图；

图5是本发明实施例提供的流道断面的示意图；

图6是本发明实施例提供的流道轴截面的示意图；

图7是本发明提供的自发电测流系统安装的小型水平式水力发电机叶轮示意图；

附图标记：

电磁流量计(1)、阀门(2)、循环供水泵(3)、循环管道(4)、第一稳流槽(5)、压力箱(6)、流道(7)、第二稳流槽(8)、尾水箱(9)、水力发电机(10)、充电器(11)、电池(12)，超声波测流计(1a～8a、1b～8b)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。

需要说明的是，本发明的描述中，术语“轴心”指代的是流道的轴线上一点。

如图1所示，本发明提供了一种不规则断面的自发电测流系统，包括电磁流量计1、阀门、2循环供水泵3、循环管道4、第一稳流槽5、压力箱6、流道7、第二稳流槽8、尾水箱9以及超声波测流计，阀门2、循环供水泵3、循环管道4依次设置在电磁流量计1一侧，循环供水泵3为自发电测流系统提供水流循环动力；第一稳流槽5、压力箱6、流道7、第二稳流槽8、尾水箱9依次设置在电磁流量计1的另一侧，并与循环管道4连接，第一稳流槽5和第二稳流槽8使水流在压力箱6与尾水箱8之间的水流流动趋于稳定，作为测量段；

超声波测流计通过多声路过轴线的交叉布置方式安装在流道7，每个声路均通过流道7轴线上的一点，采用时差法进行测量。

如图2所示，本系统还包括水力发电机10、充电器11和电池12，发电机10设置在流道内，充电器11将发电机10产生的交流电转化为直流电给电池12进行充电，电池12为超声波测流计提供稳定电能。

本实施例中以圆台流道为例。超声波测流计共有16个1a～8a、1b～8b，均匀分布在流道的第一断面和第二断面，形成四对声路1a1b-8a8b、2a2b-7a7b、3a3b-6a6b、4a4b-5a5b，如图3所示。每个声路通过流道轴线的同一点，各个轴截面都是全等的梯形，每个声路与轴线间的夹角为49°，各个轴截面与竖直方向分别成36°和72°。超声波测流计1a～4a、5a～8a沿竖直方向对称分布在第一断面，分别间隔36°，超声波测流计1b～4b、5b～8b沿竖直方向对称分布在第二断面，分别间隔36°，每个声路的两个超声波测流计处在同一直线上。具体结构如图4和5所示。

本发明还提供了一种基于上述装置的不规则断面的自发电测流方法，包括以下步骤：

保证测量区域内流态与原始流道相同的前提下将原始流道简化，对简化后的流道进行数值模拟，通过数值模拟考察灯泡体和转轮取消后对超声测流计安装区域流态的影响，得到流道内的流速分布，根据流速分布得出流速稳定区域的位置，从而确定超声波测流计的位置；

在流道的第一断面和第二断面布置超声测流计，打开供水泵，将气泡排出；流道内的水力发电机将对超声波测流计的供电电池进行充电；超声波测流计每隔30s记录一次流量值，取平均值作为流量的准确值；

待超声波测流计的数值稳定后，记录各声路的流速，每隔1s超声测流计自动采集所在流道的流速，取平均值作为流速的准确值，分别取大小不同的六个流量进行六次实验，流量和流速的比值为流断面面积；计算每次实验的流断面数值大小并求出平均值，即为此种超声波测流计布置方式下的流断面面积。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。