直線流速儀檢定水槽的結構改進與設計構想

牛福義

（遼寧省水文水資源勘測局，遼寧沈陽 110003）

水文事業是國民經濟建設和社會發展的基礎性公益事業。水文是水資源開發利用管理與保護、防治水害以及工程建設規劃、設計、施工、管理、調度的依據。水文信息中，江、河、湖泊的水流流速是一項重要的水文情報。所以流速的準確測量關系到水文信息的準確性。流量是反映水利資源和江河湖庫水量變化的基本資料，流量測驗的目的是取得天然河流以及水利工程地區河道各種徑流資料。這些資料對于人們掌握水資源運動的自然規律、合理開發何利用水資源、防汛抗災等方面都起著極其重要的作用。另外，隨著用水的商品化，水量計量顯得尤為重要，這就要求在流速儀檢定、測試過程中盡量減少影響因素，使之結果更為準確。

1 流速儀檢定效率與準確度影響因素分析

檢定水槽橫截面呈矩形的長水槽，其槽體設計尺寸的大小，應根據檢定儀器的類型、檢定的數量和最大檢定速度等來確定。

檢定車一個行程包括加速、穩速、勻速、減速四個階段，其中勻速階段為儀器檢定階段。該階段的長度由被檢流速儀型號、信號頻率及數量來決定這四個階段在水槽上的行程構成了加速段、穩速段、檢定段和制動段。各部分長度在最高車速時達到最大值，覆蓋整個水槽長度。另外出于安全考慮，水槽兩端必須留有安全段。所有這些因素決定了水槽的總長。

流速儀和懸桿向前運動時產生的水面波會使相對速度減小。隨著牽引速度的增加，水面波傳播速度也增加。當牽引速度達到一臨界值時水面波傳播速度也達到該值。此時將嚴重干擾正常檢定。國外將這種現象稱為愛潑爾效應。這個臨界速度取決于水槽中水深，由下式給出：

式中： Vc--臨界速度，m/s；

g--重力加速度，9.8 m/s2；

d--水深，m。

因此，水深的確定要使得最高檢定速度V＜Vc。

槽體的寬度也根據最高檢定速度來確定。儀器之間及儀器與槽壁之間距離過小，都會對檢定成果產生影響。

水槽寬度由下列經驗公式計算：

式中：B --檢定水槽寬度，m；

D --水深，m。

通常流速儀檢定有兩種方法。

一種是動水槽法，將被檢定的流速儀置于已知流速的水槽中，測出不同流速下流速儀轉子轉率，得出V～n關系V=f (n)。

另一種是靜水槽法，在橫截面均勻一致的直線靜水槽中，以各種穩定的速度牽引流速儀，測出牽引速度及轉子轉率，進而確定V～n關系V =f (n)。

前者由于需要很大投資才能獲得可精確控制流速的水流而較少采用，后者簡單易行而且精度高，因而得到世界各國的普遍采用，因此，檢定流速儀一直以來采用的是后一種方式，也就是在一個橫截面呈矩形的長水槽內，用檢定車速作為標準流速，按給定不同的速度牽引流速儀運動，測量流速儀的流速。槽體如圖1所示。

圖1

在這種槽體結構內，在流速儀檢定過程中，流速儀在檢定車的牽引下在水槽內進行運動時，由于流速儀和測桿的阻力作用，當向前運動時產生的水面波會使相對速度減小，隨著牽引速度的增加，水面波傳播速度也增加。當牽引速度達到一臨界值時水面波傳播速度也達到該值。國外將這種現象稱為愛潑爾效應。當然這個臨界速度也取決于水槽中的水深和寬度。

另一方面，當檢定車牽引流速儀達到一定速度時，水面波帶動水體表面移動而產生浪涌，由于移動方向與兩端槽壁垂直，當撞擊槽壁后將產生反射，形成回流，當水體移動越快，撞擊槽壁后產生的浪越大，也就是說回流也就越大，此時對流速儀檢定的準確度影響很大，這將嚴重干擾正常檢定。按照直流明槽轉子式流速儀檢定規范要求，所需要靜水的時間就越長，這就大大降低了流速儀檢定的工作效率。

2 改進水槽結構的初步構想與設計

基于上訴因素，由于水體移動方向與槽壁垂直，撞擊槽壁后而產生浪涌形成回流是最大的，而靜水時間與浪涌大小是成正比的，也就是說在檢定過程中速度越快需要靜水的時間就越長，因此在流速儀檢定過程中盡可能減小浪涌就可提高流速儀檢定的準確度，同時也可縮短靜水的時間。以這種思路為出發點，經過反復研究構思，在原水槽的兩端，改變其原水槽兩端垂直結構形式，在水槽兩端增加漫水堰和消浪池，如圖2所示。

圖2

從圖2一端（兩端相同）的截面圖中可以看出，將原來垂直的槽壁設計為斜面（漫水堰）與弧形槽壁，整個圓弧形水池即為消浪池。這樣，當流速儀檢定過程中，當達到一定速度時，所產生的水面波或浪涌通過漫水堰后不會直接反射回去，而是越過漫水堰進入消浪池，由于消浪池是圓弧形構造，撞擊消浪池的弧線型槽壁后改變方向，形成向下的渦流循環，從而在消浪池中有效的消除了由于撞擊槽壁所產生的大部分的反射回流（如圖3所示）。

因此，在流速儀檢定過程中，由于沒有了撞擊槽壁所產生的反射回流而大大提高了檢定的準確度，同時也縮短了凈水時間，提高了工作效率。

圖3

3 保證水槽水質及節約用水輔助技術措施

在實際工作中，經過一段時間的流速儀檢定后，水槽中的水會在水面留下一層油脂，落入灰塵后使水質變得污濁，因此需要更換檢定槽水，按照一般的檢定槽，年用水量需要大約 1000方左右，這在水資源短缺今天是一種很大的浪費。為了達到既節水又能保證流速儀檢定水槽中水質的清潔，設計中，在消浪池安裝有吸油滾筒和潛水泵。如圖 4所示。

圖4

吸油滾筒在流速儀檢定消浪的過程中，由于浪的沖擊使吸油滾筒轉動，可吸附部分水面的油污，滾筒外包吸油材料可根據吸附情況隨時更換。另外，在消浪池的一側安裝有潛水泵，潛水泵的位置在消浪池的中下部，潛水泵排水口通過管道引到水槽的另一端，與給水閥門在同一端，當需要清理油污時，開啟潛水泵，這時，消浪池水位降低，而水槽里的水位升高，水槽中的水體表面會通過漫水堰溢到消浪池中，整個循環過程使吸油滾筒轉動，將油污吸附干凈。另外，當檢定水槽中的水，由于滲漏、蒸發需要補水時，先用消浪池中的水補充到檢定槽中，與漫水堰持平，然后開啟給水閥門，在補水的過程中，同樣水體表面會向消浪池一邊移動，通過漫水堰及吸油滾筒溢到消浪池中，可同時起到清除油污的作用。通過水槽中的水的重復利用，既保證了水質又大量節約了用水。

4 直線水槽有關結構改進分析論證的結果

通過以上對傳統型的水文系統專用的流速儀檢定水槽有關內外結構形式的設計改變與論證分析，業內同行顯然可以從中發現，改進后的新型流速儀檢定水槽，可以大大減少過去數十年來水文儀檢部門難以克服的問題弊端，綜合起來可以得出如下主要結論。

（1）在流速儀檢定過程中，有效降低了水面波及反射流對流速儀的影響，大大提高了數據的準確性和可信度。

（2）在流速儀檢定過程中，隨時對油污進行清理，也就是說檢定的過程也是清理的過程，保證了檢定中水槽水質的清潔。

（3）通過循環水清潔利用，既可清潔水質，又大量節約了用水，大大降低了用水成本。

（4）在流速儀檢定過程中，消浪池有效的降低了由于撞擊槽壁所產生的大部分的反射浪，使靜水時間縮短，大大提高了檢定的工作效率。

5 結 語

上述論點分析與技術論證，是筆者基于多年從事水文系統的流速儀檢定作業和直線水槽檢定車升級改造等相關工作經驗，經反復思考所提出的。歡迎同行批評指正或商榷探討，總之，真心希望上述構思與設計，能夠為我國水文部門未來新型流速儀檢定水槽的設計與建設，提供一些有價值的技術參考。