直线流速仪检定水槽的结构改进与设计构想

牛福义

（辽宁省水文水资源勘测局，辽宁沈阳 110003）

水文事业是国民经济建设和社会发展的基础性公益事业。水文是水资源开发利用管理与保护、防治水害以及工程建设规划、设计、施工、管理、调度的依据。水文信息中，江、河、湖泊的水流流速是一项重要的水文情报。所以流速的准确测量关系到水文信息的准确性。流量是反映水利资源和江河湖库水量变化的基本资料，流量测验的目的是取得天然河流以及水利工程地区河道各种径流资料。这些资料对于人们掌握水资源运动的自然规律、合理开发何利用水资源、防汛抗灾等方面都起着极其重要的作用。另外，随着用水的商品化，水量计量显得尤为重要，这就要求在流速仪检定、测试过程中尽量减少影响因素，使之结果更为准确。

1 流速仪检定效率与准确度影响因素分析

检定水槽横截面呈矩形的长水槽，其槽体设计尺寸的大小，应根据检定仪器的类型、检定的数量和最大检定速度等来确定。

检定车一个行程包括加速、稳速、匀速、减速四个阶段，其中匀速阶段为仪器检定阶段。该阶段的长度由被检流速仪型号、信号频率及数量来决定这四个阶段在水槽上的行程构成了加速段、稳速段、检定段和制动段。各部分长度在最高车速时达到最大值，覆盖整个水槽长度。另外出于安全考虑，水槽两端必须留有安全段。所有这些因素决定了水槽的总长。

流速仪和悬杆向前运动时产生的水面波会使相对速度减小。随着牵引速度的增加，水面波传播速度也增加。当牵引速度达到一临界值时水面波传播速度也达到该值。此时将严重干扰正常检定。国外将这种现象称为爱泼尔效应。这个临界速度取决于水槽中水深，由下式给出：

式中： Vc--临界速度，m/s；

g--重力加速度，9.8 m/s2；

d--水深，m。

因此，水深的确定要使得最高检定速度V＜Vc。

槽体的宽度也根据最高检定速度来确定。仪器之间及仪器与槽壁之间距离过小，都会对检定成果产生影响。

水槽宽度由下列经验公式计算：

式中：B --检定水槽宽度，m；

D --水深，m。

通常流速仪检定有两种方法。

一种是动水槽法，将被检定的流速仪置于已知流速的水槽中，测出不同流速下流速仪转子转率，得出V～n关系V=f (n)。

另一种是静水槽法，在横截面均匀一致的直线静水槽中，以各种稳定的速度牵引流速仪，测出牵引速度及转子转率，进而确定V～n关系V =f (n)。

前者由于需要很大投资才能获得可精确控制流速的水流而较少采用，后者简单易行而且精度高，因而得到世界各国的普遍采用，因此，检定流速仪一直以来采用的是后一种方式，也就是在一个横截面呈矩形的长水槽内，用检定车速作为标准流速，按给定不同的速度牵引流速仪运动，测量流速仪的流速。槽体如图1所示。

图1

在这种槽体结构内，在流速仪检定过程中，流速仪在检定车的牵引下在水槽内进行运动时，由于流速仪和测杆的阻力作用，当向前运动时产生的水面波会使相对速度减小，随着牵引速度的增加，水面波传播速度也增加。当牵引速度达到一临界值时水面波传播速度也达到该值。国外将这种现象称为爱泼尔效应。当然这个临界速度也取决于水槽中的水深和宽度。

另一方面，当检定车牵引流速仪达到一定速度时，水面波带动水体表面移动而产生浪涌，由于移动方向与两端槽壁垂直，当撞击槽壁后将产生反射，形成回流，当水体移动越快，撞击槽壁后产生的浪越大，也就是说回流也就越大，此时对流速仪检定的准确度影响很大，这将严重干扰正常检定。按照直流明槽转子式流速仪检定规范要求，所需要静水的时间就越长，这就大大降低了流速仪检定的工作效率。

2 改进水槽结构的初步构想与设计

基于上诉因素，由于水体移动方向与槽壁垂直，撞击槽壁后而产生浪涌形成回流是最大的，而静水时间与浪涌大小是成正比的，也就是说在检定过程中速度越快需要静水的时间就越长，因此在流速仪检定过程中尽可能减小浪涌就可提高流速仪检定的准确度，同时也可缩短静水的时间。以这种思路为出发点，经过反复研究构思，在原水槽的两端，改变其原水槽两端垂直结构形式，在水槽两端增加漫水堰和消浪池，如图2所示。

图2

从图2一端（两端相同）的截面图中可以看出，将原来垂直的槽壁设计为斜面（漫水堰）与弧形槽壁，整个圆弧形水池即为消浪池。这样，当流速仪检定过程中，当达到一定速度时，所产生的水面波或浪涌通过漫水堰后不会直接反射回去，而是越过漫水堰进入消浪池，由于消浪池是圆弧形构造，撞击消浪池的弧线型槽壁后改变方向，形成向下的涡流循环，从而在消浪池中有效的消除了由于撞击槽壁所产生的大部分的反射回流（如图3所示）。

因此，在流速仪检定过程中，由于没有了撞击槽壁所产生的反射回流而大大提高了检定的准确度，同时也缩短了净水时间，提高了工作效率。

图3

3 保证水槽水质及节约用水辅助技术措施

在实际工作中，经过一段时间的流速仪检定后，水槽中的水会在水面留下一层油脂，落入灰尘后使水质变得污浊，因此需要更换检定槽水，按照一般的检定槽，年用水量需要大约 1000方左右，这在水资源短缺今天是一种很大的浪费。为了达到既节水又能保证流速仪检定水槽中水质的清洁，设计中，在消浪池安装有吸油滚筒和潜水泵。如图 4所示。

图4

吸油滚筒在流速仪检定消浪的过程中，由于浪的冲击使吸油滚筒转动，可吸附部分水面的油污，滚筒外包吸油材料可根据吸附情况随时更换。另外，在消浪池的一侧安装有潜水泵，潜水泵的位置在消浪池的中下部，潜水泵排水口通过管道引到水槽的另一端，与给水阀门在同一端，当需要清理油污时，开启潜水泵，这时，消浪池水位降低，而水槽里的水位升高，水槽中的水体表面会通过漫水堰溢到消浪池中，整个循环过程使吸油滚筒转动，将油污吸附干净。另外，当检定水槽中的水，由于渗漏、蒸发需要补水时，先用消浪池中的水补充到检定槽中，与漫水堰持平，然后开启给水阀门，在补水的过程中，同样水体表面会向消浪池一边移动，通过漫水堰及吸油滚筒溢到消浪池中，可同时起到清除油污的作用。通过水槽中的水的重复利用，既保证了水质又大量节约了用水。

4 直线水槽有关结构改进分析论证的结果

通过以上对传统型的水文系统专用的流速仪检定水槽有关内外结构形式的设计改变与论证分析，业内同行显然可以从中发现，改进后的新型流速仪检定水槽，可以大大减少过去数十年来水文仪检部门难以克服的问题弊端，综合起来可以得出如下主要结论。

（1）在流速仪检定过程中，有效降低了水面波及反射流对流速仪的影响，大大提高了数据的准确性和可信度。

（2）在流速仪检定过程中，随时对油污进行清理，也就是说检定的过程也是清理的过程，保证了检定中水槽水质的清洁。

（3）通过循环水清洁利用，既可清洁水质，又大量节约了用水，大大降低了用水成本。

（4）在流速仪检定过程中，消浪池有效的降低了由于撞击槽壁所产生的大部分的反射浪，使静水时间缩短，大大提高了检定的工作效率。

5 结 语

上述论点分析与技术论证，是笔者基于多年从事水文系统的流速仪检定作业和直线水槽检定车升级改造等相关工作经验，经反复思考所提出的。欢迎同行批评指正或商榷探讨，总之，真心希望上述构思与设计，能够为我国水文部门未来新型流速仪检定水槽的设计与建设，提供一些有价值的技术参考。