(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 202111483801.4 (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 市辖区高新区 天祥大道 289号 (72)发明人 姚莉　朱晓明　金鹏涛　叶晓慧　 李金波　陈浩　顾信钦　周意恒　 刘志峰　张思金　石先罗　任长江　 斯静　吴建华　 (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 30/10(2020.01)G06F 111/10(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于中心圆柱矩形槽比尺效应的渠道 测流法 (57)摘要 本发明公开了一种基于中心圆柱矩形槽比 尺效应的渠道测流法， 包括先对 数值模拟的方法 进行验证， 通过对矩形槽进行数值计算和物理试 验并进行大量数据分析与对比， 得到正确合理的 CFD设置方法。 再通过得出的CFD设置方法对不同 几何比尺的中心圆柱矩形槽进行数值模拟， 计算 完成后输 出不同几何比尺、 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。 在测量渠道 流量时， 依据渠道尺 寸将对应尺度的 中心圆柱矩形槽安置渠道中， 待水流稳定后测得 水深及对应的尺度带入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2页 说明书6页 附图6页 CN 114330156 A 2022.04.12 CN 114330156 A 1.一种基于中心圆柱矩形槽比尺效应的渠道测流法， 通过设置了 中心圆柱的矩形槽来 预测渠道流 量， 建立测流方法并提高预测精度， 其特 征在于： 具体步骤如下： 步骤1： 建立中心圆柱矩形槽的物理试验模型并进行物理模型试验， 矩形槽过流断面为 矩形， 底宽为B， 高度为M， 当水流 流动稳定后采集圆柱正前端淹没水深的高度； 步骤2： 对物理模型试验的中心圆柱矩形槽进行数值模拟计算， 建立中心圆柱矩形槽的 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中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： 对试验模型放大λ倍， 并对放大λ倍的中心圆柱矩形槽在不同收缩度条件下分别 进行几何建模及CFD计算， 采用CFD ‑Post对计算结果进 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Bc及对应的计算 流量Q， 下标c表示收缩条件； 步骤5： 采用SPSS软件对步骤4输出的圆柱正前端淹没水深h、 流道收缩后的过流宽度Bc 及对应的计算流量Q， 结合理论公式Q＝a(Bc2.5)(g0.5)(h/Bc)b进行非线性处理， 分别输出不 同比尺 λ条件下的系数a和b， 再采用Origi n对系数a、 b与 λ进行拟合分析并输出其 函数关系； 步骤6： 将系数a、 b与 λ的拟合关系式带入理论公式， 即可得到考虑比尺效应影响的矩形 槽中实时流 量的表达式； 步骤7： 对需要测流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 到原型中心圆柱矩形槽， 放大倍数λ0=W/B， 将放大λ0倍的中心圆柱矩形槽安置在渠道中， 当 水流稳定后， 测得 中心圆柱正前端淹没水深h和对应的收缩后矩形槽过流宽度Bc， 与 λ0一起 带入步骤6中得到的实时流 量表达式即可 得到实时的渠道流 量。 2.根据权利要求1所述的一种基于中心圆柱矩形槽比尺效应的渠道测流法， 其特征在 于： 所述步骤1中， 中心圆柱矩形槽模型的材质采用透明有机玻璃， 矩形槽的底部为水平放 置， 矩形槽过流断面为矩形， 底宽为B， 高度为M， 中心圆柱 直径为D， 定义中心圆柱 直径为D与 矩形槽宽度B之比为收缩比r， 模型试验时收缩度r为一个固定值， 其取值范围为0.50≤r≤ 0.80， 圆柱直径D、 矩形槽底宽B、 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所述的一种基于中心圆柱矩形槽比尺效应的渠道测流法， 其特征在 于： 所述步骤1中， 矩形槽长度L不小于10D， 中心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为中心圆柱直径， cm， 中心圆柱顺水流 正方向直径所在断面与矩形槽中心对称面重 叠。 4.根据权利要求1所述的一种基于中心圆柱矩形槽比尺效应的渠道测流法， 其特征在 于： 所述步骤1中， 在不同流量条件下对中心圆柱矩形槽进行模型试验， 流量的取值由小至 大选取， 随着流量的增大， 矩形槽中水深逐渐加深， 当矩形槽进口水深低于矩形槽高度0.2D 时停止试验， D为圆柱直径， 试验过程中通过电磁流量计测试矩形槽中的流量Qt， 相应的中 心圆柱正前端的淹没水深ht通过在圆柱正前端安装水尺进行读数， Qt与ht的下标t表示试 验条件， Q的单位 为L/s， h的单位 为cm。 5.根据权利要求1所述的一种基于中心圆柱矩形槽比尺效应的渠道测流法， 其特征在 于： 所述步骤2中， 数值模拟时建立与步骤1中中心圆柱矩形槽相同的几何模型， 在网格划分 中采用不同尺度的六面体结构化网格， 中心 圆柱网格剖分时采用外拓扑结构， 从而得到若权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114330156 A 2干不同的网格方案， 针对各个网格网格方案在Fluent计算时采用VOF方法， 针对VOF方法选 取不同的湍流模型及不同的数值算法， 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。 6.根据权利要求1所述的一种基于中心圆柱矩形槽比尺效应的渠道测流法， 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 。 7.根据权利要求1所述的一种基于中心圆柱矩形槽比尺效应的渠道测流法， 其特征在 于： 所述步骤4中， 矩形槽放大倍数 λ取值为2n， n依次取大于1的自然数， 对中心圆柱矩形槽 原型几何建模时选取3个收缩度即r1、 r2和r3， 其中0.50≤r1≤0.6， 0.6＜r2 ≤0.7， 0.7＜r3 ≤0.8， 计算并输出对应的计算流量Q、 圆柱 正前端水深h及矩形槽收缩后过流宽度Bc， 步骤4 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， 输出的矩形槽 收缩后的过流宽度Bc为矩形槽 宽度与中心圆柱之差即Bc =B‑D， 单位cm。 8.根据权利要求1所述的一种基于中心圆柱矩形槽比尺效应的渠道测流法， 其特征在 于： 所述步骤5中， 系数a与 λ 的关系表现形式为二次项 a=A1λ²+B1λ+C1， 系数b与 λ 的关系表现 形式为二次项b=A2λ²+B2λ +C2， 其中A1， A2， B1， B2， C1， C2为多项式系数。 9.根据权利要求8所述的一种基于中心圆柱矩形槽比尺效应的渠道测流法， 其特征在 于： 所述步骤6中， 考虑比尺效应影响的中心圆柱矩形槽中实时流量的表达式为， 其中g为重 力加速度。 10.根据权利要求9所述的一种基于中心圆柱矩形槽比尺效应的渠道测流法， 其特征在 于： 所述步骤7中， 渠道实时流 量为， 其中g为重力加速度。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114330156 A 3