專利名稱：泄水建筑物摻氣水流水面高程的測(cè)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(cè)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(cè)量水面高程可以用水尺、浮子式水位計(jì)、水壓式水位計(jì)、超聲波水位計(jì)等儀器設(shè)備。
對(duì)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(diǎn)紊動(dòng)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(dòng)，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(cè)量，泄槽水流的水面高程和流動(dòng)狀態(tài)難以判斷。發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有儀器設(shè)備無法進(jìn)行水面高程測(cè)量，泄槽水流的水面高程和流動(dòng)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(cè)量方法，該方法利用高摻氣濃度傳感器測(cè)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(shí)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(cè)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(jì)算測(cè)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(gè)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(duì)高摻氣濃度傳感器的每個(gè)電極組依次進(jìn)行現(xiàn)場率定，建立每個(gè)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(shí)際測(cè)量時(shí)，測(cè)讀每個(gè)電極組的摻氣濃度值Ci，然后對(duì)摻氣濃度值Ci進(jìn)行校驗(yàn)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(duì)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(jì)的水面高程。
在本發(fā)明步驟3)中，對(duì)實(shí)際摻氣濃度值Ci校驗(yàn)和修正方法為采用同一傳感器測(cè)得多個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)，去掉不合理的點(diǎn)，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(gè)電極片，每個(gè)電極片與一根相應(yīng)的引出線相連；其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，所述電極片至少為三個(gè)。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(gè)電極片置于清水中，測(cè)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(gè)電極片平行且間距相等，通過縮小相鄰兩個(gè)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(cè)量精度，減小測(cè)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(cè)量50%以上摻氣濃度時(shí)，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(gè)。為了固定所述傳感器，在所述面板上開有與通用底座對(duì)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(diǎn)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(yàn)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(cè)經(jīng)驗(yàn)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(dòng)類型的界定標(biāo)準(zhǔn)，見表I。表1表層摻氣水體流動(dòng)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(cè)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(jì)算測(cè)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(gè)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(duì)高摻氣濃度傳感器的每個(gè)電極組依次進(jìn)行現(xiàn)場率定，建立每個(gè)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(shí)際測(cè)量時(shí)，測(cè)讀每個(gè)電極組的摻氣濃度值Ci，然后對(duì)摻氣濃度值Ci進(jìn)行校驗(yàn)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(cè)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(jì)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(cè)量方法，其特征在于，步驟3)中，對(duì)實(shí)際摻氣濃度值Ci校驗(yàn)和修正方法為采用同一傳感器測(cè)得多個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)，去掉不合理的點(diǎn)，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(cè)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(gè)電極片(1)，每個(gè)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(gè)。
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(cè)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(gè)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(cè)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(cè)量方法，其特征在于，所述面板(3)上開有與通用底座對(duì)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(cè)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(cè)量方法，其特征在于，所述電極片(I)有3 5個(gè)。
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(cè)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(cè)量，泄槽水流的水面高程和流動(dòng)狀態(tài)難以判斷的問題，所述測(cè)量方法在泄槽的側(cè)墻上安裝不少于3個(gè)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(duì)高摻氣濃度傳感器的每個(gè)電極組依次進(jìn)行現(xiàn)場率定，并對(duì)實(shí)際測(cè)得的摻氣濃度值進(jìn)行校驗(yàn)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(shí)提供了表層摻氣水體流動(dòng)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(cè)。
文檔編號(hào)G01C5/00GK103148836SQ20131008303
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國水電顧問集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院