一种基于CFD模拟与现场监测的宽断面明渠流量测量方法

本发明涉及明渠流量测量，具体为一种基于cfd模拟与现场监测的宽断面明渠流量测量方法。

背景技术：

1、明渠指的是敞开式排水渠道和虽不敞开、但在非受压非满水状态下的下水渠道；目前，明渠水流量测量多采用流速面积法、标准断面法、渠系建筑物法和堰槽法，其中标准断面法、渠系建筑物法和堰槽法因利用水工建筑物进行流量推算；为实现明渠流量的精准测量，大多采用流速面积法，常见的流速测量方式有声学多普勒式、雷达式、转子式等。

2、在宽断面的明渠中，流量的准确测量一直是一个技术难题；传统的流速测量方法由于受限于断面宽度和流速分布不均匀，往往不能准确反映整个断面的平均流速，导致流量测量误差较大；尽管已有多点流速测量法和浮标法等方法，但其适用性和准确性仍有待提高。

3、因此，迫切需要一种能够综合考虑断面流速分布特点，并且能够利用现场监测数据进行验证和调整的流量测量新方法。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于cfd模拟与现场监测的宽断面明渠流量测量方法，通过建立明渠的全尺寸数值模型，并利用现场监测数据对模型进行验证，随后利用该模型计算不同流量对应的水位，建立流量和水位关系曲线；结合数值模拟得到的断面流速分布，确定与平均流速相等的位置安装流速仪，最终结合流速和液位测量数据，通过流量和水位关系曲线推算出明渠流量，提高了宽断面明渠流量测量的准确性和可靠性，解决了传统的流速测量方法由于受限于断面宽度和流速分布不均匀，往往不能准确反映整个断面的平均流速，导致流量测量误差较大的问题。

3、(二)技术方案

4、为实现上述的目的，本发明提供如下技术方案：一种基于cfd模拟与现场监测的宽断面明渠流量测量方法，包括以下步骤：

5、s1、cfd模拟：选择某一宽断面的明渠，建立全尺寸数值模型，利用cfd软件对模型进行模拟，获取不同流量下的流速分布和水位数据，并根据测风激光雷达历史探测数据和当地气象日志，统计出明渠区域的风速风向概率以及密度分布；

6、s2、现场监测数据校准：利用现场监测数据对cfd模型进行校准和验证，在明渠现场布设若干流速测量点和水位测量点，获取实时流速和水位数据，将现场监测数据与cfd模拟结果进行对比，通过调整cfd模型参数，使模拟结果与实测数据相吻合；

7、s3、流量和水位关系曲线建立：利用校准后的cfd模型，模拟不同流量情况下的水位分布，绘制流量和水位关系曲线，通过该曲线测量水位并快速推算出对应的流量；

8、s4、流速仪位置确定：根据cfd数值模拟得到的断面流速分布，计算断面的平均流速，确定与其相等的流速位置，在确定的位置安装高精度流速仪，进行实时流速监测；

9、s5、流量推算：利用流速仪测得的流速测量数据和水位传感器测得的液位测量数据，通过流量和水位关系曲线，即可推算出明渠的实际流量。

10、优选的，所述s1中的cfd模型包括明渠的几何结构、边界条件、流体特性，计算网格、边界条件和cfd求解器，cfd模拟采用有限元法进行数值求解。

11、优选的，所述流速仪为声波多普勒流速仪或激光多普勒流速仪，且水位传感器为超声波液位传感器或电容式液位传感器。

12、优选的，所述s2中的现场监测数据包括流速数据和水位数据，通过布设多个监测点进行获取，确定各监测点各自所对应水层的流速，根据各水层的流速和横截面积，确定各水层的瞬时流量以及根据各水层的瞬时流量，确定渠道流体的平均瞬时流量和渠道流体的平均流速。

13、优选的，所述流速仪包括终端仪器和空心状的测量杆，所述测量杆的顶端固定连接有把手，所述测量杆的底端通过支架固定连接有支撑轴；

14、所述支撑轴和测量杆之间转动连接有旋转套，所述旋转套的外表面固定连接有水流导向板和安装板，所述水流导向板和安装板呈对称状，所述安装板的顶部可拆卸式安装有流量计探头，所述流量计探头通过导线与终端仪器连接，所述测量杆的外表面固定连接有用于对导线进行限位的限位环。

15、优选的，所述流量计探头的底部固定连接有两个定位块，两个所述定位块的底部均转动连接有两个限位块，所述安装板的内部开设有两个用于定位块插入的定位孔。

16、优选的，所述支撑轴的底端开设有螺纹孔，且所述支撑轴通过螺纹孔螺纹连接有调节轴，所述调节轴的底端固定连接有锥形垫块。

17、优选的，所述旋转套的内表面固定连接有摩擦套，所述测量杆底端的内表面从上至下依次固定连接有固定板和活动板，所述活动板的底部铰接有两个驱动杆，两个所述驱动杆的底端均延伸至旋转套的内部，两个驱动杆的底端均铰接有与摩擦套内表面接触的摩擦块，两个所述驱动杆的顶端均固定连接有倾斜状的拨动板，所述固定板的底部固定连接有两个用于对拨动板向下倾斜运动的弹簧，两个拨动板的顶部之间固定连接有y型绳索，所述测量杆的顶端滑动连接有滑动套，且滑动套与y型绳索的顶端固定连接，所述滑动套的外表面固定连接有拨动杆。

18、(三)有益效果

19、与现有技术相比，本发明提供了一种基于cfd模拟与现场监测的宽断面明渠流量测量方法，具备以下有益效果：

20、1、本发明通过建立明渠的全尺寸数值模型，并利用现场监测数据对模型进行验证，随后利用该模型计算不同流量对应的水位，建立流量和水位关系曲线；结合数值模拟得到的断面流速分布，确定与平均流速相等的位置安装流速仪，最终结合流速和液位测量数据，通过流量和水位关系曲线推算出明渠流量，克服了传统方法在宽断面流量测量中的不足，提高了宽断面明渠流量测量的准确性和可靠性。

21、2、本发明通过支撑轴和测量杆之间转动连接有旋转套之间转动连接有旋转套，且旋转套的外表面固定连接有水流导向板，以便于水流导向板根据水流的方向进行适应性调节，进而可以通过旋转套带动流量计探头进行角度调节，提高其流速测量的有效性，解决了现有技术中的流速仪在进行测量时，一般采用肉眼观察的方式判断水流方向，其准确度不高，存在较大的误差，以至于影响后续测量准确性的问题。

22、3、本发明通过摩擦块与摩擦套的内表面紧密接触，即可形成摩擦锁紧，防止旋转套出现自转的现象，进而保证其水流方向调节后的稳定性，相反通过工作人员手动向上拨动滑动套，即可带动y型绳索向上运动，通过y型绳索向上的运动，即可带动两个拨动板反向运动，使得两个摩擦块失去对摩擦套的接触，这时便于水流导向板和流量计探头进行水流方向的调节，工作人员可以根据实际测量需要对流量计探头的角度进行调节，提高其流速仪的测量效果以及操作的便捷性。

技术特征：

1.一种基于cfd模拟与现场监测的宽断面明渠流量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于cfd模拟与现场监测的宽断面明渠流量测量方法，其特征在于：所述s1中的cfd模型包括明渠的几何结构、边界条件、流体特性，计算网格、边界条件和cfd求解器，cfd模拟采用有限元法进行数值求解。

3.根据权利要求1所述的一种基于cfd模拟与现场监测的宽断面明渠流量测量方法，其特征在于：所述流速仪为声波多普勒流速仪或激光多普勒流速仪，且水位传感器为超声波液位传感器或电容式液位传感器。

4.根据权利要求1所述的一种基于cfd模拟与现场监测的宽断面明渠流量测量方法，其特征在于：所述s2中的现场监测数据包括流速数据和水位数据，通过布设多个监测点进行获取，确定各监测点各自所对应水层的流速，根据各水层的流速和横截面积，确定各水层的瞬时流量以及根据各水层的瞬时流量，确定渠道流体的平均瞬时流量和渠道流体的平均流速。

5.根据权利要求1所述的一种基于cfd模拟与现场监测的宽断面明渠流量测量方法，其特征在于：所述流速仪包括终端仪器(1)和空心状的测量杆(2)，所述测量杆(2)的顶端固定连接有把手(3)，所述测量杆(2)的底端通过支架固定连接有支撑轴(4)；

6.根据权利要求5所述的一种基于cfd模拟与现场监测的宽断面明渠流量测量方法，其特征在于：所述流量计探头(8)的底部固定连接有两个定位块(71)，两个所述定位块(71)的底部均转动连接有两个限位块(72)，所述安装板(7)的内部开设有两个用于定位块(71)插入的定位孔(73)。

7.根据权利要求5所述的一种基于cfd模拟与现场监测的宽断面明渠流量测量方法，其特征在于：所述支撑轴(4)的底端开设有螺纹孔，且所述支撑轴(4)通过螺纹孔螺纹连接有调节轴(41)，所述调节轴(41)的底端固定连接有锥形垫块(42)。

8.根据权利要求5所述的一种基于cfd模拟与现场监测的宽断面明渠流量测量方法，其特征在于：所述旋转套(5)的内表面固定连接有摩擦套(10)，所述测量杆(2)底端的内表面从上至下依次固定连接有固定板(11)和活动板(12)，所述活动板(12)的底部铰接有两个驱动杆(13)，两个所述驱动杆(13)的底端均延伸至旋转套(5)的内部，两个驱动杆(13)的底端均铰接有与摩擦套(10)内表面接触的摩擦块(14)，两个所述驱动杆(13)的顶端均固定连接有倾斜状的拨动板(15)，所述固定板(11)的底部固定连接有两个用于对拨动板(15)向下倾斜运动的弹簧(16)，两个拨动板(15)的顶部之间固定连接有y型绳索(17)，所述测量杆(2)的顶端滑动连接有滑动套(18)，且滑动套(18)与y型绳索(17)的顶端固定连接，所述滑动套(18)的外表面固定连接有拨动杆。

技术总结本发明涉及明渠流量测量技术领域，且公开了一种基于CFD模拟与现场监测的宽断面明渠流量测量方法，包括以下步骤：S1、CFD模拟：选择某一宽断面的明渠，建立全尺寸数值模型，利用CFD软件对模型进行模拟。该基于CFD模拟与现场监测的宽断面明渠流量测量方法，通过建立明渠的全尺寸数值模型，并利用现场监测数据对模型进行验证，随后利用该模型计算不同流量对应的水位，建立流量和水位关系曲线；结合数值模拟得到的断面流速分布，确定与平均流速相等的位置安装流速仪，最终结合流速和液位测量数据，通过流量和水位关系曲线推算出明渠流量，克服了传统方法在宽断面流量测量中的不足，提高了宽断面明渠流量测量的准确性和可靠性。技术研发人员：张凌凯,张小莹,刘文昊,陈建龙受保护的技术使用者：新疆农业大学技术研发日：技术公布日：2024/12/2