摘要:本文介紹(shào)旋渦流對孔闆(pǎn)流量計 性能影(yǐng)響的結果。主要(yao)對β值和旋渦強(qiang)度進行了分析(xi)。該項工作生要(yao)基于流動圖形(xíng)測試法、IDA激光多(duo)普勒測速和管(guan)壁壓力測量法(fa)，借助一個流體(tǐ)動力學裝置完(wán)成的。另外，還對(dui)管内流動與△p差(cha)壓測量之間的(de)關系進行了FENXI 。
概(gai)述
　　該工作的主(zhǔ)要目的，一方面(mian)是更好地了解(jie)孔闆兩側的穩(wen)定流和不穩定(dìng)流現象，另一方(fang)面是确定上遊(yóu)流動幹擾對内(nèi)部流動特性和(hé)對流量測量的(de)實際影響。爲了(le)達到上述目的(de)，采用了多種試(shì)驗和數值計算(suan)方法。
　　在試驗中(zhōng)，采用了流動圖(tú)像法，激光多普(pu)勒測速儀(L.D.V)測量(liang)二維速度和管(guǎn)壁差壓測量法(fǎ)。
　　試驗時，選取了(le)2個β值(0.4和0.7)。雷諾數(shù)(Uv·D/v)在104~2×105之間。
二、試驗(yàn)設備
1.試驗裝置(zhì)
　　圖1爲試驗裝置(zhì)，主要由水平試(shi)驗管路及一台(tai)離心泵組成。該(gai)離心泵通常在(zài)過壓狀态下運(yùn)行。試驗時，由離(li)心泵将水箱A(容(róng)積爲1m³)中的水抽(chou)出，其最大排量(liàng)爲140m³/h,輸出相對壓(ya)力爲20m水柱。由泵(bèng)輸送的水，一部(bù)分通過主試驗(yàn)管路的試驗段(duan)，另-部分經旁通(tōng)管路返回到原(yuan)來的水箱中。主(zhǔ)試驗管路是一(yi)段口徑爲125mm的直(zhí)管段，一台标準(zhǔn)電磁流量計安(an)裝在該直管段(duàn)上，其準确度爲(wèi)1%。該直管段的末(mo)端與密閉水箱(xiāng)B相連，這樣可以(yi)消除由離心泵(bèng)引起的任何脈(mo)動流影響。在水(shuǐ)箱B的出口裝有(you)口徑爲100mm的直管(guan)段，其中測試段(duan)就安裝在此直(zhí)菅段上。試驗中(zhong)，水返回到水箱(xiāng)A或者被排出。另(ling)外，試驗時還可(ke)向水中注人染(ran)料。利用2個并聯(lian)安裝在試驗段(duàn)下遊的控制閥(fa)來調節通過試(shi)驗段的水流量(liang)。爲了避免試驗(yàn)過程中水介質(zhì)的溫度上升，設(she)置了一台循環(huan)水式換熱器。在(zai)環路中冷卻水(shuǐ)的流量采用伺(si)服控制，其溫度(dù)偏差在±0.5C範圍内(nèi)。試驗段上遊口(kǒu)徑100mm直管段的長(zhǎng)度爲4m，在其人口(kǒu)安裝了一台管(guǎn)束式整流器。試(shì)驗段由孔闆兩(liang)側分開，分爲上(shang)遊和下遊試驗(yàn)段。試驗管段采(cǎi)用有機玻璃透(tòu)明管段，以便觀(guān)測流型和激光(guāng)多普勒測速。由(you)于在空氣和有(you)機玻璃管段之(zhī)間存在讀數偏(pian)差，爲了避免有(you)機玻璃管段産(chan)生的折射，而将(jiāng)有機玻璃管段(duan)的外壁做成平(píng)面。爲了更好地(di)觀察孔闆兩邊(biān)的流動狀态，孔(kong)闆兩側的法蘭(lán)是經過特殊的(de)，盡量保證爲0.15D。孔(kong)闆上、下遊的直(zhi)管段長度爲0.5m。這(zhe)樣就可完成孔(kong)闆兩側回流區(qū)的試驗:甚至β值(zhi)爲0.4也可以。
 
2.旋渦(wo)流發生器
　　旋渦(wo)流是由一種切(qiē)向流發生器産(chan)生的，如圖2所示(shi)。部分流體從其(qí)人口沿着與軸(zhou)線成切線方向(xiang)進人，從而産生(sheng)旋轉流。旋渦強(qiáng)度的确定借助(zhù)于軸向流量Q軸(zhou)向和總流量Q總(zong)流量之間的關(guan)系來定。即用無(wú)量綱旋流系數(shu)Q表達，其變化範(fan)圍爲0(無旋流)至(zhì)1(最大旋流)，數字(zi)表達式爲:
 
　　據有(you)關文獻介紹，旋(xuan)渦強度也可用(yòng)旋渦數量s來表(biǎo)示，即通過平均(jun)軸向分布U(r)和平(píng)均切向分布W(r)計(jì)算出來，表達式(shi)爲:
 
　　該旋流系數(shù)n可以通過試驗(yàn)與經典的旋流(liu)數S用線性關系(xì)聯系起來。
 
三、試(shì)驗結果
　　在試驗(yàn)過程中，β值爲0.7和(he)0.4，雷諾數爲100000。
1.流動(dong)狀态觀測
　　在與(yu)管道同直徑的(de)孔闆的邊緣處(chu)設置2個毛細管(guǎn)，并且與管道的(de)軸線對稱。試驗(yan)時，向兩根毛細(xì)管中注人示蹤(zong)劑(氣體或液體(ti))，觀測孔闆下遊(yóu)的流動狀态。爲(wei)了清晰地觀察(cha)流動狀态，在透(tòu)明管段上遊放(fàng)置一照明設備(bèi)，其光束可以與(yu)軸線平行或垂(chui)直。
　　觀察結果表(biao)明，旋渦流使得(dé)射流擴大而回(hui)流區減小。而且(qiě)，當旋流系數n較(jiào)大和β值較小時(shi)，孔闆下遊處有(you)明顯的射流沖(chòng)擊，使得作用在(zài)管壁上的壓力(lì)産生很大的波(bo)動。.
2.速度測量
　　試(shi)驗中，使用了一(yī)台二維激光多(duō)普勒測速儀。在(zài)旋流強度Ω爲0.2和(he)0.5時，進行了測試(shì)。
3.上遊流動狀态(tai)
　　圖3示出了在孔(kǒng)闆上遊1D處測得(dé)的平均軸向速(su)度U和切向速度(dù)W的分布情況。
　　從(cong)中可以看出，随(suí)着旋渦強度的(de)增加，軸向速度(dù)U分布趨于變平(píng)。
 
　　從切向速度分(fèn)布圖中可以看(kan)出，旋轉以管道(dào)軸線 爲中心并(bìng)分爲兩個區域(yù)。在管道的中心(xīn)(0≤r/D<0.25)爲“強旋渦型”區(qū)，在該區内切向(xiàng)速度W與 半徑r成(cheng)正比。接近于管(guan)壁時，出現了一(yi)個由于摩擦 使(shi)得旋轉速度降(jiang)低的區域。
　　利用(yong)上述的速度分(fen)布圖，可以計算(suan)出旋渦數s和旋(xuan)渦角θs。因此，當Ω=0.2時(shi)，S=0.1、θs=9°;當Ω=0.5時，S=0.5、θs=36°。
4，下遊流動(dong)狀态
(1)沿管道軸(zhóu)線的軸向速度(du)展開圖
　　當β值爲(wèi)0.4時，得到的曲線(xiàn)如圖4所示。從圖(tu)中可以清楚地(dì)看出，旋轉流不(bu)僅可以導緻孔(kǒng)闆附近處.速度(du)增加，而且還可(ke)導緻由于下遊(yóu)稍遠處因旋轉(zhuǎn)運動射流的擴(kuo)展使得速度迅(xun)速地減小。當下(xià)遊旋轉運動較(jiao)強(上遊旋流較(jiào)大和低β值)時，該(gāi)旋轉的影響就(jiù)更大。
 
(2)在孔闆下(xià)遊0.5D時測得的速(sù)度分布圖
　　圖5示(shì)出了當β值爲0.7時(shí)，孔闆下遊的平(píng)均軸向速度U和(he)切向速度W的速(sù)度分布圖。
 
　　從圖(tú)中看出，當Ω值較(jiào)小時，射流形狀(zhuàng)完全與無旋流(liú)時的結果相同(tóng)。換句話說，随着(zhe)旋流強度的增(zeng)加，射流區域消(xiao)失了。
 
　　圖6示出了(le)在剪切區内軸(zhou)向速度的波動(dòng)量明顯增加。從(cong)流動圖像看出(chu)，這個不穩定流(liú)現象與射流的(de)沖擊相一緻。對(duì)于一個給定的(de)幅射狀态，這種(zhǒng)現象使得局部(bu)速度交替地與(yu)在環流區觀察(cha)到的或射流中(zhong)心區觀察到的(de)一緻。
　　當β值爲0.4時(shí)，雖然這種現象(xiàng)被強化了，但結(jie)果完全類似。
　　角(jiǎo)動量軸向流量(liang)計算式:
 
　　上式表(biao)明在上遊和下(xia)遊測量點之間(jian)，φlang是減小的。Murakami和Kito所(suǒ)得的結果與其(qi)相同。
(3)靠近管壁(bì)附近的軸向速(su)度分布:回流區(qū)平均長度的确(que)定.
　　圖7示出了平(ping)均縱向速度分(fèn)布的所有結果(guo)。對這些縱向速(sù)度分布，平均再(zai)附壁點與速度(du)正負符号的變(biàn)化相一緻。
 
　　從圖(tú)7中可清楚地看(kan)出，旋渦流可導(dǎo)緻回流區尺寸(cùn)減小。因此，當旋(xuan)流強度較低(Ω=0.2)時(shí)，平均再附壁點(diǎn)大約在8.7h位置，而(ér)在無擾動及在(zài)相同雷諾數時(shí)，則大約在10h位置(zhì)。當Ω=0.5時，回流區長(zhǎng)度減小到4.9h(β=0.7時)和(hé)2.9h(β=0.4時)。
這種現象在(zài)攝錄的流動圖(tú)像錄像中可以(yǐ)十分清楚地看(kàn)到。這種現象與(yǔ)射流的迅速膨(péng)脹有關，而與離(li)心力的作用無(wú)關。
(4)差壓測量
　　在(zai)D和D/2配置中旋渦(wō)流對差壓測量(liàng)的影響。試驗過(guo)程中，在雷諾數(shu)爲10000及相同總流(liú)量的條件下，改(gai)變旋流強度相(xiang)對應的旋流系(xi)數Ω.Ω從0~1範圍内變(biàn)化。
　　圖8示出了流(liu)出系數的變化(huà)，其定義式爲:
 
　　式(shì)中p和np分别表示(shì)有擾動和無擾(rao)動條件)流出系(xì)數是旋流系數(shù)的函數。
 
　　從圖8可(ke)看出，當旋流系(xi)數Ω低于0.2時,所産(chǎn)生的誤差可以(yi)忽略不計。這與(yu)Ω值爲0.2時流動.研(yán)究結果相吻合(hé)。該結果表明，在(zài)射流起始階段(duan)，平均流量幾乎(hū)不變。這表明，即(ji)使不忽略旋轉(zhuǎn)運動對靜壓橫(heng)向梯度的影響(xiǎng)，至少上遊和下(xià)遊也應等效。.
　　當(dang)Ω值大于0.2時，可以(yǐ)看出随着被測(cè)試孔闆.的不同(tong)，其性能也不同(tóng)。對于最大的孔(kong)闆(β=0.7),當Ω值達到0.7時(shí)，流出系數的最(zui)大偏差可達27%。超(chāo)出這個值後，系(xì)數CD急劇下降。當(dang)Ω值大于0.82時，流出(chu)系數的偏差變(biàn)爲負值。當Ω=1時,CD的(de)偏差爲-14%。
　　對于Ω值(zhí)爲0.4的孔闆，流出(chu)系數的偏差總(zǒng)是正值，并且随(suí)着旋流強度增(zeng)加而增大。當Ω=1時(shí)，其最大誤差可(ke)達25%。
　　通過定性研(yán)究分析，一些學(xué)者(Lugt、Murakami、Kito和McHugh等)得到了(le)性質相同的結(jie)果。例如，當β值較(jiào)高時，流出系數(shù)趨向變化，反過(guo)來也是一樣。通(tōng)常，這種特性變(bian)化取決于β值，這(zhè)可以用對于差(chà)壓測量中有兩(liǎng)個相互反作用(yòng)的物理現象來(lái)解釋。這兩個現(xiàn)象是:一方面由(yóu)于離心力作用(yong)使得.上遊速度(du)分布逐漸變平(ping)，也使得下遊射(shè)流更加明顯地(dì)收縮。另-方面由(yóu)于旋轉運動的(de)作用，使得射流(liú)變寬。除此之外(wài)還有旋轉流對(dui)孔闆上、下遊橫(heng)向靜壓力梯度(du)的影響。因此，當(dang)β值較低時，通過(guo)孔闆的旋轉流(liu)沒有很大的加(jia)速，此時第一種(zhong)現象起主要作(zuo)用，導緻測量的(de)差壓值增大，而(ér)流出系數降低(di)。反之，當β值較高(gao)時，射流變平的(de)影響減弱，而通(tong)過孔闆的流體(tǐ)加速旋轉導緻(zhì)射流進一步擴(kuo)大，此時差壓降(jiàng)低。
　　這些通常的(de)解釋并不總是(shì)可以得到驗證(zhèng)的。我們已經指(zhi)出，上述結論中(zhōng)的上遊速度變(biàn)平的影響及由(yóu)于幹擾影響射(shè)流收縮的變化(huà)等現象都不能(neng)用試驗來驗證(zheng)。關于射流擴展(zhǎn)引起的旋流影(ying)響結果見圖4。從(cóng)中明顯地看出(chu)，在射流起始段(duàn)内，位于管道中(zhong)心的軸向速度(du)随着旋流強度(dù)增加而增大。
　　根(gen)據空氣動力學(xue)的研究結果，利(li)用積分求和法(fa)可以确定相應(yīng)的測量誤差。這(zhe)種方法将在下(xià)面計算孔闆.上(shang)、下遊差壓時進(jin)行描述。由于旋(xuan)流作用，不但要(yao)考慮流體沿着(zhe)管道軸向流動(dong)的縱向加速度(du)，而且還要考.慮(lǜ)上、下遊管道橫(heng)截面上的橫向(xiang)靜壓力梯度。鑒(jiàn)于上述兩種現(xiàn)象，其差壓公式(shì)爲:
 
　　我們已将β值(zhí)爲0.7的孔闆和兩(liang)個旋渦強度應(yīng)用.到我們自己(ji)的試驗結果中(zhong)，所得結果見表(biao)1。
 
　　通過将使用該(gāi)方法得到的結(jie)果與實際試驗(yàn)結果相對比，可(ke)以看出存在明(míng)顯的不同。當然(ran)，這主要是由于(yu)計算軸線和管(guǎn)壁之間差壓時(shí)計算簡化而造(zao)成的。。Murakami和Kito以前使(shǐ)用類似的方法(fǎ)得到的觀測結(jié)果也是如此。
　　有(you)關更加完整的(de)信息，尤其對于(yú)橫向靜壓梯度(du)的計算可使用(yong)等人的流動模(mo)型。
　　如果把我們(men)所得結果與以(yi)前引用過的試(shi)驗結果相比較(jiao)，則可看出測出(chu)的流出系數的(de)變化率有很大(dà)差别。結果表明(ming)，這些差别主要(yào)由于.上遊旋轉(zhuǎn)流性質的不同(tong)而造成的。
　　對于(yu)有關平均流量(liang)的最初解釋還(hai)應附加上非穩(wen)定流現象的附(fu)加說明。本文針(zhēn)對測量結果表(biǎo)明，由于旋渦流(liú)作用，差壓的巨(ju)大波動與旋流(liu)所引.起的流動(dong)的不穩定有關(guān)。
　　這些現象與旋(xuán)渦流量計使用(yong)中的情況類似(si)。當初始的旋流(liú)強度最強和β值(zhi)最低時，這個影(yǐng)響最大。
四、結論(lun)
　　在本文中介紹(shào)了依據流動狀(zhuang)态的圖像化、二(èr)維激光多普勒(lè)測速(L.D.A)和平均管(guǎn)壁壓力結果。在(zài)不同的旋流強(qiang)度下，對旋渦流(liú)的影響進行了(le)分析，尤其注意(yi)到了孔闆下遊(yóu)射流的擴展和(he)回流區域長度(du)的明顯減少。β值(zhi)越小和上遊旋(xuán)轉流越強，這些(xiē)現象就越明顯(xian)。
　　因此，當旋流強(qiang)度較低時，接近(jin)孔闆處的平均(jun)流量不會受到(dao)較大的影響。流(liú)動圖像化和管(guan)壁壓力的測量(liang)充分揭示了不(bu)穩定流的現象(xiàng)。
　　通過試驗，已将(jiang)β值和旋流強度(dù)對測量誤差的(de)影響進行了驗(yan)證。把我們所得(de)的結果與其他(ta)作者獲得的結(jié)果相對比表明(míng)，隻知道旋渦數(shù)量還不足以預(yu)測儀表的測量(liàng)誤差。這一結論(lun)與ReaderHaris的結論相吻(wen)合。通過對試驗(yan)數據的分析表(biǎo)明，速度場和差(chà)壓測量之間的(de)關系式隻能通(tōng)過數學模型來(lai)确定。

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