【摘 要】
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我国的水资源短缺现象十分严重,淡水资源储存量仅是全世界总储存量的百分之六,水资源不足这一原因已经在各行各业中产生了巨大的影响,严重限制了我国的经济发展。灌溉用水是我国的农业用水大户,灌区精准量水技术是准确控制灌溉用水水量的关键环节,灌区精准测量的意义在于为合理分配水资源、提高灌溉用水效率提供可靠的计量依据,因此研发结构简单、使用方便、测流精度高的量水设施显得尤为重要。本文通过查阅大量的文献资料、吸
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我国的水资源短缺现象十分严重,淡水资源储存量仅是全世界总储存量的百分之六,水资源不足这一原因已经在各行各业中产生了巨大的影响,严重限制了我国的经济发展。灌溉用水是我国的农业用水大户,灌区精准量水技术是准确控制灌溉用水水量的关键环节,灌区精准测量的意义在于为合理分配水资源、提高灌溉用水效率提供可靠的计量依据,因此研发结构简单、使用方便、测流精度高的量水设施显得尤为重要。本文通过查阅大量的文献资料、吸取前人经验,提出了一种横向摆杆式明渠测流方法,并依据此方法设计了一套适用于矩形渠道的横向摆杆式明渠测流装置,用来测量渠道中的过水断面流量。课题通过理论分析、测流实验与仿真模拟三种方法相结合的方式对该装置的测流特性及测流过程中渠道水流的水力特性进行了研究,得到了以下结论:1、从圆柱绕流理论出发,通过对该装置在渠道水流中的平衡状态进行受力分析可知摆杆转动角度与过水断面流速之间存在对应关系,在此基础上进行量纲分析,推导出该装置的通用测流公式v=K g1/2L1/2sin1/2θ,并通过流速面积法计算断面流量Q。2、通过对横向摆杆式明渠测流装置在不同工况下进行测流实验来探究其测流性能,得到了以下结论:（1）依据测流公式v=K g1/2L1/2sin1/2θ,利用ORIGIN函数绘图软件对摆杆转动角度θ与流速v进行线性拟合,线性相关系数最高为0.9926,最低为0.9874,平均线性相关系数为0.9898,线性相关程度较高,说明该测流公式可以精确地反映摆杆转动角度θ与流速v之间的关系。（2）采用相对误差对实测流量与理论流量进行对比分析,其最大相对误差为4.70%,最小相对误差为1.28%,平均测量误差为2.85%,测量精度较高。3、利用计算流体力学软件FLUENT对横向摆杆式明渠测流装置的测流过程进行仿真模拟,综合分析该装置的测流性能及在测流过程中渠道水流的水力特性,得到了以下结论:（1）将不同断面处的水面高度绘制成水面曲线,发现在同一实验工况的不同流量条件下,矩形渠道内的沿程水位高度变化规律基本一致,均呈现先降低再升高的变化趋势,水面线整体高度随着流量的增大也逐渐上涨;通过分析不同时刻渠道内的水面线变化情况,发现在水流靠近摆杆的过程中,由于受到摆杆对水流的扰动,产生绕流现象,水面线略有下降;在水流远离摆杆的过程中,摆杆对水流的扰动越来越小,因此水面线略微上升,在达到一定高度后水面线逐渐趋于稳定。（2）采取对数函数、抛物线函数以及双幂律函数这三种常见的垂向流速分布函数对渠道过水断面中的垂向流速分布进行拟合并分析这三种垂向流速分布函数与实际渠道中的垂向流速分布规律的相关性,结果表明,抛物线函数的平均相关系数最高,说明其拟合效果最好,最能体现实际渠道中水流的垂向流速分布规律;采取乘幂函数和抛物线函数这两种常见的横向流速分布函数对渠道过水断面中的横向流速分布进行拟合并分析这两种横向流速分布函数与实际渠道中的横向流速分布规律的相关性,结果表明,抛物线函数的平均相关系数高于乘幂函数的平均相关系数,说明抛物线函数对横向流速的拟合效果比乘幂函数的拟合效果好,更能体现实际渠道中水流的横向流速分布规律。（3）利用能量方程对横向摆杆式明渠测流装置产生的水头损失进行探究,结果表明此测流装置产生的水头损失较小,最大相对水头损失比仅为6%,且随着流量的增加,相对水头损失比也逐渐减小。本文设计了一套横向摆杆式明渠测流装置,该装置整体可拆卸、组装方便、简单便携,且测流精度较高,可实现无线数据传输,是一种新型灌区测流工具,具有良好的应用前景。
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