專利名稱:泄水建筑物摻氣水流水面高程的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種泄水建筑物摻氣水流水面高程的測量方法。
背景技術(shù):
水庫和湖泊的自由水面、平緩河道水流的自由水面等與空氣有明確的交界面,測量水面高程可以用水尺、浮子式水位計、水壓式水位計、超聲波水位計等儀器設(shè)備。
對于高水頭泄水建筑物而言,由于高速水流與空氣的剪切作用,水流表面破碎,水質(zhì)點紊動劇烈將空氣卷入水中從而造成表層水體高度摻氣,卷入的空氣以氣泡形態(tài)從表層向深度方向轉(zhuǎn)移擴(kuò)散,泄槽水流形成一種氣液兩相流動,且表層水體摻氣濃度高。高速水流的表層水體水氣摻混,呈泡沫或白絮狀,無明確的水氣交界面,現(xiàn)有的儀器設(shè)備無法進(jìn)行水面高程測量,泄槽水流的水面高程和流動狀態(tài)難以判斷。發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有儀器設(shè)備無法進(jìn)行水面高程測量,泄槽水流的水面高程和流動狀態(tài)難以判斷的問題,本發(fā)明旨在提供一種泄水建筑物摻氣水流水面高程的測量方法,該方法利用高摻氣濃度傳感器測量表層摻氣水體的摻氣濃度,然后分析判斷水流水面高程、水霧流高程和氣霧流高程。
為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
泄水建筑物摻氣水流水面高程的測量方法,其特征在于,包括下列步驟:
I)根據(jù)泄水建筑物泄槽下泄的水流流量Q和流速V,初步計算測量斷面處的水深Λ = 和摻氣水深込+,其中b為泄槽槽寬,ζ為修正系數(shù),可取1.0s/m V*bK 100 J1.4s/m ;在所述泄槽的側(cè)墻上安裝不少于3個高摻氣濃度傳感器,且這些高摻氣濃度傳感器布置在水深h到摻氣水深hb段之間摻氣水流的表層區(qū)域;
2)對高摻氣濃度傳感器的每個電極組依次進(jìn)行現(xiàn)場率定,建立每個電極組各自的摻氣濃度與摻氣電阻的函數(shù)關(guān)系;
3)在實際測量時,測讀每個電極組的摻氣濃度值Ci,然后對摻氣濃度值Ci進(jìn)行校驗和修正;
4)根據(jù)修正后的摻氣濃度分析判斷水流的水面高程、水霧流高程和氣霧流高程,以摻氣濃度為50%的位置作為水面高程,以摻氣濃度為66.67%的位置作為水霧流高程,以摻氣濃度為83.33%的位置作為氣霧流高程。
進(jìn)一步地,對于修正系數(shù)ζ的取值,根據(jù)流速V確定,流速越大,ζ的取值趨近上限值1.4s/m,流速越低,則ζ的取值趨近下限值1.0s/m。
在本發(fā)明步驟4)中,將水霧流高程作為側(cè)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的水面高程。
在本發(fā)明步驟3)中,對實際摻氣濃度值Ci校驗和修正方法為采用同一傳感器測得多個獨立的數(shù)據(jù),去掉不合理的點,然后取平均值。
所述高摻氣濃度傳感器的結(jié)構(gòu)為,包括面板,鑲嵌在面板上的多個電極片,每個電極片與一根相應(yīng)的引出線相連;其結(jié)構(gòu)特點是,所述電極片至少為三個。進(jìn)一步地,相鄰電極片之間的清水電阻值為100Ω 200Ω。所述清水電阻值即將兩個電極片置于清水中,測量兩電極片之間的電阻值,所謂清水是指水中不含空氣泡,一般而言清水電阻小,含氣的水電阻大。進(jìn)一步地,所述電極片的橫截面優(yōu)選為扁平的長方形,相鄰兩個電極片平行且間距相等,通過縮小相鄰兩個電極片之間的間距,降低清水電阻,提高電場強(qiáng)度,從而提高傳感器的測量精度,減小測量誤差。通用摻氣濃度傳感器的清水電阻值一般為800Ω 1000 Ω,而本發(fā)明相鄰電極片之間的清水電阻值控制在100 Ω 200 Ω,當(dāng)測量50%以上摻氣濃度時,精度提高4倍以上。進(jìn)一步地,所述電極片優(yōu)選為3 5個。為了固定所述傳感器,在所述面板上開有與通用底座對應(yīng)的螺絲孔。所述面板為絕緣材料制成,所述面板整體呈圓盤狀。由于高流速水質(zhì)點卷入的空氣以氣泡形態(tài)存在表層水體中,其分布是不均勻的,理論分析和試驗結(jié)果表明,摻氣濃度沿法向符合正態(tài)分布。根據(jù)工程原型觀測經(jīng)驗與認(rèn)知習(xí)慣,可以將表層摻氣水體劃分為3種類型:水流、霧流和氣流;霧流又可進(jìn)一步細(xì)分為水霧流和氣霧流。摻氣濃度是水氣二相流中空氣氣泡體積占混合水體體積的百分比。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)的“3 σ規(guī)則”,以摻氣濃度為界定標(biāo)準(zhǔn),分析擬定了摻氣濃度與表層摻氣水體流動類型的界定標(biāo)準(zhǔn),見表I。表1表層摻氣水體流動類型與摻氣濃度界定標(biāo)準(zhǔn)
權(quán)利要求
1.一種泄水建筑物摻氣水流水面高程的測量方法,其特征在于,包括下列步驟: 1)根據(jù)泄水建筑物泄槽下泄的水流流量Q和流速V,初步計算測量斷面處的水深Λ = 和摻氣水深&,其中b為泄槽槽寬,ζ為修正系數(shù),可取1.0s/m V*bK 100 J1.4s/m ;在所述泄槽的側(cè)墻上安裝不少于3個高摻氣濃度傳感器,且這些高摻氣濃度傳感器布置在水深h到摻氣水深hb段之間摻氣水流的表層區(qū)域; 2)對高摻氣濃度傳感器的每個電極組依次進(jìn)行現(xiàn)場率定,建立每個電極組各自的摻氣濃度與摻氣電阻的函數(shù)關(guān)系; 3)在實際測量時,測讀每個電極組的摻氣濃度值Ci,然后對摻氣濃度值Ci進(jìn)行校驗和修正; 4)根據(jù)修正后的摻氣濃度Ci分析判斷水流的水面高程、水霧流高程和氣霧流高程,以摻氣濃度為50%的位置作為水面高程,以摻氣濃度為66.67%的位置作為水霧流高程,以摻氣濃度為83.33%的位置作為氣霧流高程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泄水建筑物摻氣水流水面高程的測量方法,其特征在于,步驟4)中,將水霧流高程作為側(cè)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的水面高程。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泄水建筑物摻氣水流水面高程的測量方法,其特征在于,步驟3)中,對實際摻氣濃度值Ci校驗和修正方法為采用同一傳感器測得多個獨立的數(shù)據(jù),去掉不合理的點,然后取平均值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泄水建筑物摻氣水流水面高程的測量方法,其特征在于,所述高摻氣濃度傳感器的結(jié)構(gòu)為,包括面板(3),鑲嵌在面板(3)上的多個電極片(1),每個電極片(I)與一根相應(yīng)的引出線(2)相連;其特征在于,所述電極片(I)至少為三個。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的泄水建筑物摻氣水流水面高程的測量方法,其特征在于,所述電極片(I)的橫截面為扁平的長方形,相鄰兩個電極片(I)平行且間距相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的泄水建筑物摻氣水流水面高程的測量方法,其特征在于,相鄰電極片(I)之間的清水電阻值為100 Ω 200Ω。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的泄水建筑物摻氣水流水面高程的測量方法,其特征在于,所述面板(3)上開有與通用底座對應(yīng)的螺絲孔(4)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的泄水建筑物摻氣水流水面高程的測量方法,其特征在于,所述面板(3)為絕緣材料制成。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的泄水建筑物摻氣水流水面高程的測量方法,其特征在于,所述電極片(I)有3 5個。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種泄水建筑物摻氣水流水面高程的測量方法。為了解決現(xiàn)有儀器設(shè)備無法進(jìn)行水面高程測量,泄槽水流的水面高程和流動狀態(tài)難以判斷的問題,所述測量方法在泄槽的側(cè)墻上安裝不少于3個高摻氣濃度傳感器,且這些高摻氣濃度傳感器布置在摻氣水流的表層區(qū)域;然后對高摻氣濃度傳感器的每個電極組依次進(jìn)行現(xiàn)場率定,并對實際測得的摻氣濃度值進(jìn)行校驗和修正;最后根據(jù)修正后的摻氣濃度分析判斷水流的水面高程、水霧流高程和氣霧流高程。本發(fā)明同時提供了表層摻氣水體流動類型與摻氣濃度的界定標(biāo)準(zhǔn),適用于泄水建筑物水力學(xué)原型觀測。
文檔編號G01C5/00GK103148836SQ20131008303
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月15日
發(fā)明者戴曉兵 申請人:中國水電顧問集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院