河道流量測量技術的研究進展

摘 要：流體力學作為力學的一個分支，其研究對象顧名思義是流體比如液體，氣體及流體內部的機械流動。想要很好的研究這門科學，實驗是必不可少的。而流量的測量在實驗流體力學中最基本，也是不可或缺的一部分。流量計是流量測量的主要工具，隨著時間的推移，流量計向著精密化、小型化的趨勢發展。隨著集成電路和計算機在流體力學實驗中的廣泛運用，超聲波和光學流量計也得到了廣泛的使用，進一步提高了流量測量的能力。本文主要針對明渠水流介紹了幾種流量測量方法及其測量工具和使用的范圍，并對測量技術的發展闡述了自己的理解。

關鍵詞：明渠水流；實驗流體力學；流量測量流量計；流速儀

1 測量方法（流量計）

1.1 流速-水位法

流速水位法其測量方法的核心為明渠斷面流速分布經驗公式，測量其斷面某點流速，斷面的水位，床底的高程，通過計算獲得其斷面流量。其具體方法為將斷面分成若干個分區，測得斷面某點的流速，水位及床底高程之后，基于斷面垂線流速分布規律及測點位置、測點流速和水深值，得到流速測點所在垂線的平均流速，再由垂向流速的縱向分布規律的到各個分區的中垂線的平均流速，進而即可算出各分區的斷面流量，求和后既得斷面總流量。其流量計算公式為：

1.2 堰槽法

堰槽法基于較穩定的轉換公式，將測得的水深通過計算從而得到流量，可以使用的堰槽主要有三角形薄壁堰、矩形薄壁堰、寬頂堰、巴歇爾槽。具體的方法為：使水流通過收縮的過水斷面加以控制，水流通過最狹窄的部分水流從緩流變為急流的過度即為臨界流，從而可以得到一個較為穩定的水位流量關系，可以用來計算流量。其計算公式為：

該方法經濟且有效，但是前提是流量水位的關系式是穩定的，但現實情況中，水位流量關系式隨著時間變化而變化的。

1.3 電磁感應法

基于法拉利電磁感應定律，其具體方法是講一個線圈橫埋在河床底部在水下形成一個磁場。水流穿過線圈，切割垂向磁感線產生電磁感應使得河流兩邊產生少量電動勢，測量得到所產生的電動勢。河寬，斷面流速，磁場強度與所測得的電動勢成正比，根據法拉利電磁感應定律：e=Bvb，式中，B：磁場的磁通量；v：斷面平均流速：e：感應電動勢；b：導體長度，對于明渠河道來說b即是渠道的寬度。

1.4 聲學時差法

聲音在水中的傳播速度受水溫、鹽度、含沙量等因素的影響，在同一河道中，上述的因素基本保持一致。當聲音在水流中順水傳播時，其傳播速度等于聲音在靜水中的傳播速度加上水流速度，當聲音在水流中逆水傳播時，其傳播速度等于其在靜水中的傳播速度減去水流速度。將這兩種傳播情況中的時差測出，從而能夠得出水流流速。實驗中將聲學換能器相距L裝在上下游，先從上游換能器向下游換能器發射聲波，測出傳播的時間，換一個方向再測一次得到下游到上游傳播時間，其斷面平均流速計算公式：，為上下游

換能器連線與斷面之間的夾角。再用流速面積法運用算得的流速和斷面面積的到水流的流量。

1.5 多普勒聲學法

當超聲波在水流中以某一頻率傳播時，遇到水流中的懸移質或者氣泡時，會以另一種頻率反射回來，測得其兩種頻率的差值便可計算出這些反射物在水中的速度。這種超聲波遇反射物后的頻率變化叫做多普勒頻移。通常可將超聲波發射和接收裝置安裝在船上沿斷面行駛，測得整個斷面的平均流速，再由流速面積法求得水流的流量。

1.6 等面積流速儀法

在渠道的過水斷面上，人工修建一個量水涵洞，使這個涵洞不管水位變高變低都浸沒在水中，使其一直保持在滿貫狀態。因為量水涵洞通常較小，形狀規則，使用特定的流速儀能夠很方便的測得流速，且能長期進行測量工作，并能輸出自動記錄信號，根據流速面積法便能得到該量水涵洞的流量，該涵洞的流量即可代表其所在過水斷面的流量大小。

1.7 熱式流量計

其原理流體被外熱源加熱管道加熱產生溫度場的變化，在通過換算來得到流場的流量，加熱流體溫度上升到某一數值需要的內能和流體質量的關系，來得到流體的質量與流量的一種方法。這種方法現在較多用的是托馬斯流量計和邊界流層流量計，托馬斯流量計適用于氣體流體，而邊界流層流量計既使用與氣體也適用。這里我們著重的介紹下邊界層流量計，邊界層流量計是一種非接觸性流量計。接觸性流量計直接與流體接觸，久而久之容易腐蝕、磨損甚至爆裂。而非接觸流量計就很好的預防了上面的問題。邊界流層流量計的加熱線圈繞在管壁外側，分別在上下游管道外側加裝兩個溫度傳感器。流體和熱源不直接接觸，中間通過管壁和流動邊界層導熱。其熱能流量轉換公式為：

熱分布式流量計，其結構是在去外側繞有兩個對稱的阻值的相同的線圈，外加兩個相同電阻，組成一個直流電橋，這兩個線圈既可以加溫也可以測溫，向電橋通電即可對流體加熱，對于靜止液體加熱時，兩個線圈的溫度相等。對于流動的液體加熱時，上游線圈的溫度逐漸降低，下游線圈的溫度逐漸上升。由于金屬材料的電阻與溫度成正比，所以這里我們測得兩個線圈此時的電阻即可的到他們的溫度，其溫差流量關系如下式：

2 對河道流量測量技術發展的認識

對于流量的測量我監控是水資源管理和調度的必要環節，間接對人們的日常生活和功能生產具有重要影響。所以對流量測量的精度，時效性，可行性提出了新的要求。傳統的測量方法如流速面積法雖具有較高的精度，但是自動化程度太低，需要大量的人工操作，且無法做到對于水流流量情況的實時監控。隨著科學技術的快速發展，特別是傳感技術的完善，使得流量測量技術有了很多新的手段，就如本文中介紹的電磁感應法，聲學時差法，多普勒聲學法，熱傳導法等，測量儀器結構日趨簡單，其中節流件和轉動件較少保證了它的長期工作，便于安裝，自動化程度較高，能對流量進行實時監控，且具有較高的精度。

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作者簡介

黃志豪（1994-），男，江蘇高郵人，漢族，揚州大學水利與能源動力科學學院，研究生在讀，研究方向：水力學及河流動力學。endprint