第三节 流速测量

一、毕托管法

毕托管是实验室内量测水流中某点流速最常用的仪器。这种仪器是1730年由亨利·毕托（H.Pitot）首创，后经200多年来各方面的改进，目前已有几十种形式。下面介绍一种常用的毕托管，这种毕托管又称为普朗特（L.Prandtl）毕托管。

毕托管测流速原理：设水流中某点A处的流速为v，如将一根两端开口的直角弯管插入水流并使其下端管口方向正对A点的流速方向，则A点的流速由原来的v值变为零，而弯管中的液面将比测压管中的液面升高Δh（测压管液面为未受毕托管干扰时A点的测压管液面），弯管中液面的升高是由于水流的动能转化为势能所引起的。对于A点处质量为dm，重量为dmg的微小水体，在弯管插入前具有的动能是当弯管插入水流后，A点流速由v变为零，该微小水体的动能全部转化为势能dmgΔh。

可见弯管与测压管的液面之差Δh表示水流中A点处的单位动能。这个两端开口的直角弯管就称为毕托管，可用以量测水流中某点的流速。将关系式改写

只要量测出毕托管与测压管中的液面高差Δh，即计算出A点的流速值。

考虑到水流机械能在相互转化过程中存在能量损失，毕托管对水流有干扰以及毕托管与测压管的进口有一定距离等影响，需加以修正，写为

式中：φ称为毕托管流速校正系数。

普朗特毕托管的构造如图1-3-1（a）所示，由图可以看出这种毕托管是由两根空心细管组成。细管1为总压管，细管2为测压管。量测流速时使总压管下端出口方向正对水流流速方向，测压管下端出口方向与流速方向垂直。在两细管上端用橡皮管分别与压差计中的两根玻璃管相连接。图1-3-1（b）为用毕托管测流速的示意图。

图1-3-1 普朗特毕托管

用毕托管量测水流流速时，必须首先将毕托管及橡皮管内的空气完全排出，然后将毕托管的下端放入水流中，并使总压管的进口正对测点处的流速方向，此时压差计的玻璃管中水面即出现高差Δh。如果所测点的流速较小，Δh的值也较小。为了提高量测精度，可将压差计的玻璃管倾斜放置。实测时，读出两管沿倾斜方向的液面距离Δh′，并根据玻璃管的倾斜角度θ换算出相应的垂直液面高差Δh=Δh′sinθ，将Δh代入公式中，即可得出所量测点的水流流速值。

关于毕托管流速较正系数φ，因其值与毕托管的构造、尺寸及表面光滑程度等因素有关，须经专门的率定实验来确定。一般φ值由制造毕托管的工厂给出。由于φ值与1很接近，故通常近似地采用φ=1。

毕托管在明槽与管路中均可应用。毕托管的量测范围一般为0.15～2.0m/s。毕托管不宜测量过小的流速，因流速太小时流速水头很小，相对误差就大。另外用毕托管测流速时，仪器本身对流场会产生扰动，这是使用这种方法测流速的一个缺点。

二、浮体追迹法

1.表面浮子法

表面浮子法用于测水面流速。小纸片或小泡沫塑料块放在水面上，因其密度小于水，故可随水漂浮，测出流出距离Δs和所需时间Δt。也可以用眼看、摄像等方法记录Δs和Δt。

2.浮粒子法

用于水流流速不太高的试验中，在玻璃水槽中测底流速。要求浮子的密度必须于水相近，而其色泽又区别于水，一般浮子可以用石蜡和橡皮泥混合制成，石蜡密度小于1，橡皮泥密度大于1，用于制成小球，水流动时小球移动，用目测或摄影记录小球移动距离s，所需时间t用秒表记录，则底流流速。

三、LS300型便携式流速仪

LS300型便携式流速仪是专门为水文站、厂矿、环保监测站、农田排灌、水文地质调查等部门在野外进行明渠流速测量而设计的便携式流速仪，如图1-3-2所示。配有新型流速旋桨传感器，量测时，将旋桨放入水流测点处并对准水流流向，水流作用于流速仪的旋桨时，由于它的迎水面的各部分受到的水压力不同而产生压力差，以致形成一转动力矩，旋桨将产生转动，流速越大，转动越快。

图1-3-2 LS300型便携式流速仪

测水流流速时，由水力推动旋桨式转子流速仪旋转，内置信号装置产生转数信号，流速与转速间具有如下线性关系，由下面公式计算流速：

式中： V为测流时段内平均流速，m/s；K为桨叶水力螺距；C为流速仪常数；T为测流历时，s； N为T时段内信号数；K、C为常数，测流时，只要测出T和N，即可算出流速。

四、斯德克Pro Ⅱ雷达测速仪

斯德克ProⅡ雷达测速仪是一个Ka波段表面流速雷达，它的设计是为了更方便地测量水流流速，如图1-3-3所示。该仪器采用高速DSP芯片处理水面多普勒回波，依据专门开发的智能水面回波频谱分析算法，该算法具有水流方向选择功能，可以有效地排除与水面流速无关的干扰信号，适应各种复杂波浪环境，测量的水面流速稳定可靠，该仪器流速测量范围为0.2～18.0m/s，流速测量精度为±0.03m/s，并且可以在强降雨环境中使用。该仪器显示器为大屏幕LCD，可同时显示瞬时流速、平均流速、历时和强度，测流过程一目了然。

五、LB70-2C型旋杯式流速仪

图1-3-3 斯德克ProⅡ雷达测速仪

LB70-2C型旋杯流速仪结构及设备图如1-3-4、图1-3-5所示，为江河水文测验中流速测量常规通用型仪器，用以测定江河、湖泊、水库、渠道等过水断面中预定测点时段平均流速，通过测量全断面各点流速和断面积，可计算出断面流量。

图1-3-4 旋杯式流速仪结构图

1—旋轴部件；2—杯盘支部件；3—法兰盘螺帽支件；4—M4×10圆柱头螺钉；5—上轴承支部件；6—压线螺帽；7—干簧管支部件；8—轭架；9—钢球；10—上轴承套；11—上轴承座；12—宝石轴承；13—轴承座；14—弹簧垫圈；15—下轴承；16—轴颈；17—圆柱头螺钉；18—六角螺帽；19—压圈；20—活动压块；21—轴颈支部件

图1-3-5 旋杯式流速仪

水流作用到流速仪旋杯转子部件时，转子右侧杯口阻力大，左侧杯尖阻力小，此压力差形成一反时针回转力矩，推动旋杯转子旋转，其转速n随水流速度V有规律地变化，即V-n有一定的函数关系：

式中：a为附加常数或摩阻系数；b为桨叶水力螺距；n为旋杯转子转速；T为测流历时；N为T时段内的总转数；V为测流时段内平均流速，m/s。

六、LJ20-1A型旋桨式流速仪

LJ20-1A型旋桨式流速仪及结构图如1-3-6、图1-3-7所示，为江河水文测验中流速测量常规通用型仪器，用以测定江河、湖泊、水库、渠道等过水断面中预定测点时段平均流速。

图1-3-6 旋桨式流速仪

图1-3-7 旋桨式流速仪结构

1—旋桨流速仪组件；2—悬挂转轴部件；3—尾翼部件

水流作用于旋桨使其产生旋转运动，需克服旋桨表面、形状阻力以及仪器内摩阻力，其运动过程中力的相互作用关系极其复杂，迄今尚难直接从理论上建立数学关系式，通过实验建立经验公式，函数关系近似直线，公式为

式中：a为附加常数，主要取决于仪器主机内摩阻力距M₀；b为水力螺距，当M₀值小而稳定时，主要取决于旋桨几何螺距及其结构阻力系数；n为旋桨转速；T测流历时；N为T时段内的总转数；V为测流时段内平均流速，m/s。