扭矩式明渠自动测流系统的研发

作     者：王慧强 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周义仁;张明斌

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：矩形明渠 圆柱绕流 扭矩传感器 自动化 流量测量 

摘      要：我国是一个发展中的农业大国,党中央、国务院历来高度重视灌区建设与发展,在最新的“十四五规划中,将新增高效节水灌溉面积0.6亿亩,创建200个节水型灌区,到2025年,全国将建成高标准农田10.75亿亩,相关节水改造设备具有广阔的市场前景。国内灌区目前使用比较普遍的量水方法有水工建筑物量水法、特设量水装置量水法、仪表量水法等,主要应用在大中型渠道,用于广泛分布的斗、农渠等小型渠道的量水设施较少。本文针对北方灌区斗、农渠数量多、底坡缓且灌溉水含沙量大的现状,在前人的研究基础之上,提出了一种基于圆柱绕流模型的扭矩式明渠测流方法,并结合传感器及信息化技术设计制作了扭矩式明渠自动测流系统。该测流系统通过测量明渠水流对光滑圆杆固定点产生的扭矩大小,进行明渠来流平均流速的测量,并结合流速面积法进行流量计算。通过在流量范围为6～105m/h的亚克力矩形渠道上进行均匀流试验,得出了流量公式,初步探究了扭矩测流方法的可行性与测流精度。主要研究内容及结论如下:(1)采用圆柱绕流理论,对扭矩式自动测流原理进行理论分析,得到流量、扭矩、水深三者之间的理论关系式;(2)自动测流系统的开发与试验,从功能性和非功能性两个需求方面进行自动测流系统的详细需求分析,结合圆柱绕流相关原理完成扭矩式明渠自动测流系统的软硬件设计与开发,并按试验方案对自动测流系统进行相应测流试验;(3)根据大量试验数据,确定流量计算模型中的待定系数,得到了矩形明渠下的扭矩测流公式;(4)本试验渠道流量范围为6～105m/h,当试验流量大于24m/h时从流量计算值和实测值的相对误差看出,计算流量与实测流量之间平均相对误差为1.22%,最大相对误差为2.56%,相对误差均小于5%,满足灌区量水要求;当试验流量小于24m/h时,水深小于0.055m,测流误差相对较大,最大测流误差达到了27.1%;(5)在较高流速情况下,测杆后尾迹能观察到明显的漩涡脱落,即典型的卡门涡街,会导致测流圆杆左右震动。当左右震动达到一定强度时,此时会导致扭矩传感器读数抖动过大,甚至影响到装置摆放稳定性,导致测流结果波动大、不稳定;在较低流量较浅水深情况下,水下圆杆长径比较小,边壁粘滞力、自由端部的下洗水流及自由液面的波动和变形产生的影响较大,不能直接忽略,无限大流场的无限长圆柱绕流阻力计算公式不再适用。