(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111483800.X (22)申请日 2021.12.07 (71)申请人 南昌工程学院 地址 330000 江西省南昌市高新区天祥大 道289号 (72)发明人 朱晓明　姚莉　顾信钦　李金波　 陈浩　周意恒　刘志峰　张思金　 石先罗　斯静　任长江　 (74)专利代理 机构 南京华恒专利代理事务所 (普通合伙) 32335 代理人 宋方园 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于两侧半圆柱矩形槽比降效应的灌 区渠道测流法 (57)摘要 本发明公开了一种基于两侧半圆柱矩形槽 比降效应的灌区渠道测流法， 包括先对数值模拟 的方法进行验证， 通过对不同比降矩形槽进行数 值计算和物理试验并进行数据分析与对比， 得到 精确的CFD设置方法。 再通过得出的C FD设置方法 对不同比降的两侧半圆柱矩形槽进行数值模拟， 计算完成后输出不同比降、 收缩度和流量条件下 的水深和收缩过流宽度， 通过SPSS和Origin进行 数据处理得到新的流量预测公式。 在CFD数值计 算时， 引入云计算以提高CFD的计算精度和效率。 将两侧半圆柱矩形槽安置在任意比降条件下的 渠道中， 待水流稳定后测得水深和对应的比降值 带入考虑比降效应的流量公式即可得到实时的 渠道流量。 本发明能够准确地测试渠道流量， 操 作便捷， 制作廉价， 适应性强。 权利要求书3页 说明书8页 附图8页 CN 114117965 A 2022.03.01 CN 114117965 A 1.一种基于两侧半圆柱矩形槽比降效应的灌区渠道测流法， 其特征在于： 渠道流量物 理试验模型包括矩形槽， 矩形槽设有进口和出 口， 在靠近矩形槽出 口处矩形槽两侧对称设 置半圆柱， 在进口处下 方安装有可升降装置， 出口处铰接在支 架上， 包括以下步骤： 步骤1： 建立两侧半圆柱矩形槽的物理试验模型并进行物理模型试验， 试验中将矩形槽 出口断面的底边固定， 将矩形槽进口逐渐抬高， 矩形槽底 面与水平 面的夹角为θ， θ 的正切值 即tα nθ为比降m％， 以考虑矩形槽比降对 水流流动的影 响， 试验中m ％取值为0％和0.5％， 每 个比降m％对应两个收缩度分别进行试验， 当水流流动稳定后采集两侧半圆柱正前端淹没 水深的高度h； 步骤2： 对物理模型试验的比降为0％和0.5％的两侧半圆柱矩形槽在与试验相同的两 个收缩度条件下进 行数值模拟 计算， 建立两侧半圆柱矩形槽的几何模 型， 并进行划分网格， 输出计算文件， 导入Fluent进行数值计算， 导出计算结果， 通过CFD ‑Post进行后处理， 采集 数据； 步骤3： 从步骤2中若干数值计算结果找出与步骤1测试水深相近的计算工况， 输出对应 的网格尺寸、 湍流模型、 数值 算法； 步骤4： 对需要测流的矩形断面的渠道进行实地勘测， 量测渠道底宽W， 对步骤1中模型 进行放大 得到原型两侧半圆柱 矩形槽， 放大倍数 λ＝ W/Β， B为 步骤1中模型矩形槽底宽； 步骤5： 对步骤4中带两侧半圆柱矩形槽的原型在不同收缩度r和不同比降m％条件下分 别进行几何建模及CFD计算， 采用CFD ‑Post对原型CFD计算结果进行后处理， 输出不同工况 条件下圆柱正前端淹没水深h、 流道收缩后的过流宽度Βc及对应的计算流量Q， 下标c表示 收缩条件； 步骤6： 采用SPSS软件对步骤5输出的两半圆柱正前端淹没水深h、 流道收缩后的过流宽 度Βc及对应的计算流量Q， 结合理论公式 进行非 线性处理， 分别输出不同比降m％条件 下的系数α和β， 再采用Origin对系数α、 β 与m进行拟合 分析并输出其 函数关系； 步骤7： 系数α 与m的关系表现形式为二次项α ＝Α1m2+Β1m+C1， 系数β 与m的关系表现形式 为二次项β ＝Α2m2+Β2m+C2， 其中Α1， Α2， Β1， Β2， C1， C2为列项系数， 将系数α和β 带入理论 公式 即可得到考虑比降影响的矩形槽实时流量 的表达式为： 步骤8： 适应性地将步骤4中的原型两侧半圆柱矩形槽安置在渠道中， 当水流稳定后， 测权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114117965 A 2得两侧半圆柱正前端淹没水深h0和对应的收缩后矩形槽过流宽度Βc0及对应的渠道比降 m0％， 带入步骤7中矩形槽考虑比降影响的实时流量表达式即可得到考虑比降影响的渠道 实时流量。 2.根据权利要求1所述的一种基于两侧半圆柱矩形槽比降效应的灌区渠道测流法， 其 特征在于： 所述矩形槽过流断面为矩形， 底宽为Β， 高度为M， 两侧半圆柱体以矩形槽中心 面 为对称面完全相同， 两侧半圆柱直径为D， 定义两侧半圆柱收缩后的过流宽度B ‑D与矩形槽 宽度Β之比为收缩比r， 模型试验时收缩度r为取两个固定值， 其一个 收缩度的取值范围为 0.10≤r≤0.40， 另一个收缩度的取值范围为0.50≤r≤0.80， 圆柱 直径D、 矩形槽底宽Β、 矩 形槽高度M的单位 为： cm， r为无量纲数。 3.根据权利要求1所述的一种基于两侧半圆柱矩形槽比降效应的灌区渠道测流法， 其 特征在于： 所述矩形槽长度L不小于10D， 两侧半圆柱垂直于来流正方向的直径所在过流断 面距进口断面的长度Lin不小于7D、 距出口断面的长度Lout不小于3D， 其中D为两侧半圆柱直 径， cm。 4.根据权利要求1所述的一种基于两侧半圆柱矩形槽比降效应的灌区渠道测流法， 其 特征在于： 所述步骤(2)中， 在网格划分中采用不同尺度的六面体结构化网格， 两侧半圆柱 网格剖分时采用外拓扑结构， 数值计算中采用的流量与步骤1中试验的输出流量一一对应， 计算中采用的边界条件进口为速度进口、 出口为压力出口、 表面为压力进口、 固体边界设置 为wall， 计算初始条件为空气占比为100％， 在数值模拟求得的水深高度为后处理CFD ‑Post 中水和空气各占5 0％自由液面条件下的水深hs， 单位 为cm， 下标s为数模条件。 5.根据权利要求1所述的一种基于两侧半圆柱矩形槽比降效应的灌区渠道测流法， 其 特征在于： 所述步骤3中， 将步骤1和步骤2中得到试验条件下的水深ht与数模条件下的水深 hs进行误差分析， 其计算式为|ht ‑hs|/ht≤k％， 式中 “||”表示绝对值， 当某个数值计算方 案下所有k值均不大于7时输出网格划分方案及Fluent设置方案 。 6.根据权利要求1所述的一种基于两侧半圆柱矩形槽比降效应的灌区渠道测流法， 其 特征在于： 所述步骤5中， 对两侧半圆柱矩形槽原型几何建模时选取6个收缩度即r1、 r2、 r3、 r4、 r5和r6， 其中0.10≤r1≤0.20， 0.20＜r2≤0.30， 0.30＜r3≤0.40， 0.40＜r1≤0.50， 0.50＜r2≤0.60和0.60＜r3≤0.70， 同时对计算中考虑矩形槽比降与流量预测的影响， 将 矩形槽出 口断面的底边固定， 将矩形槽进口逐渐抬高， 矩形槽底面与水平面的夹角为θ， 比 降m％的值为θ 的正切值即tα nθ， 0.0％≤m％≤3.5％， 将m％在其取值范围内以0.5％为间隔 划分为等差数列， 在任一比降m％分别对6个收缩度进行计算， 并输出对应的计算流量Q、 两 侧半圆柱正前端水深h及矩形槽收缩后过流宽度Βc， 输出 的矩形槽收缩后的过流宽度Βc 为矩形槽 宽度与两侧半圆柱之差即 Βc＝Β‑D， 单位cm。 7.根据权利要求1所述的一种基于两侧半圆柱矩形槽比降效应的灌区渠道测流法， 其 特征在于： 所述步骤5中， 采用的数值方法、 网格剖分方式和 后处理方法与步骤3中输出的方 法相同。 8.根据权利要求1所述的一种基于两侧半圆柱矩形槽比降效应的灌区渠道测流法， 其 特征在于： 所述 步骤8中， 考虑比降影响的渠道实时流 量为：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114117965 A 3