[发明专利]明渠流量测定装置和测定方法

权利要求书

1.一种明渠均匀流流量测定装置，其特征在于，包括：GPRS通信设备、水位传感器、流速传感器、计算设备和太阳能电池板；

所述水位传感器基于超声波技术测定水面深度；

所述流速传感器基于多普勒技术测定水面流速；

所述计算设备收集水位传感器和流速传感器传递而来的水面深度和水面流速测量结果，基于流体动力学原理，使用有限元方法，以渠道特性、水面流速和水面深度作为边界条件计算渠道流量；

所述GPRS通信设备基于计算设备传递而来的计算结果实时传输到后台，所述GPRS通信设备通过太阳能电池板供电。

2.如权利要求1所述的明渠均匀流流量测定装置，其特征在于：所述计算设备计算渠道流量的算法包括，

第一步，将河流的笛卡尔坐标系映射到(s，n，σ)坐标系下(s为河道中心线方向；n为河道中心线的水平法线方向；σ为垂向伸缩坐标，在河面值为0，河床值为-1，具体映射规则为σ＝(z-H)/(H-z₀)，其中z₀为河床高程，H为水深)，计算网络单元格为长方体，水位和流速节点采用交错布置，其中(u，v，ω)为对应(s，n，σ)方向的流速；

第二步，基于静压假定和Bossinesq假定，可以得到河流的控制方程为：

其中t为时间；R＝过水面积/湿周，为水力半径；g为重力加速度；h＝H-z₀为水深；(u，v，ω)为对应(s，n，σ)坐标方向上的流速；(ε_s，ε_n，ε_σ)为对应(s，n，σ)坐标方向上的紊动粘滞系数；

第三步，对基本控制方程①～③，从河床至水面进行积分，得到：

其中表示(s，n)方向的平均流速；(τ_0s，τ_0n)为(s，n)方向的底部切应力；ρ为水密度；其中α、β为经验修正系数，(n_m为曼宁糙率系数)为河床摩阻流速；

定义分别计算①-④、②-⑤、③-⑥得到：

第四步，对方程⑨从河床(σ＝-1)开始积分得到

根据ω的值，可以从(s，n，σ)坐标系转换回笛卡尔坐标系，并进一步计算出河流垂向流速：

第五步，在笛卡尔坐标系，对w沿河流截面做二维积分，可以得到截面流量：

3.如权利要求1或2所述的明渠均匀流流量测定装置，其特征在于：求解④～⑥的方程组的边界条件为：

(1)非边界节点，各变量值均初始为0。

(2)上下游边界的流量水位根据实测值决定。

(3)两侧岸壁，

(4)底部切应力其中C＝h^1/6/n_m(n_m为曼宁糙率系数)为谢才系数，取经验值；(u₁，v₁)为从床面开始垂直向上第一层节点处的流速值，该值由⑦～⑨计算提供。

4.如权利要求1至3所述的明渠均匀流流量测定装置，其特征在于：求解⑦～⑨的方程组的边界条件为：

(1)上游边界处u/u_m＝(z/h)^1/7，u_m为水面流速，其余非边界节点变量均初始为0。

(2)河面不考虑风的切应力：

(3)在河床假定无滑移：u＝v＝ω＝0。

(4)两侧岸壁：

(5)取其中为垂线紊动混合长度。计算时，u，v取上一时刻的近似值。