摘要:本文介紹旋渦流對孔板流量計性能影響的結(jié)果。主要對β值和旋渦強度進(jìn)行了分析。該項工作生要基于流動圖形測試法、IDA激光多普勒測速和管壁壓力測量法，借助一個流體動力學(xué)裝置完成的。另外，還對管內(nèi)流動與△p差壓測量之間的關(guān)系進(jìn)行了FENXI 。
概述
　　該工作的主要目的，一方面是更好地了解孔板兩側(cè)的穩(wěn)定流和不穩(wěn)定流現(xiàn)象，另一方面是確定上游流動干擾對內(nèi)部流動特性和對流量測量的實際影響。為了達(dá)到上述目的，采用了多種試驗和數(shù)值計算方法。
　　在試驗中，采用了流動圖像法，激光多普勒測速儀(L.D.V)測量二維速度和管壁差壓測量法。
　　試驗時，選取了2個β值(0.4和0.7)。雷諾數(shù)(Uv·D/v)在104~2×105之間。
二、試驗設(shè)備
1.試驗裝置
　　圖1為試驗裝置，主要由水平試驗管路及一臺離心泵組成。該離心泵通常在過壓狀態(tài)下運行。試驗時，由離心泵將水箱A(容積為1m³)中的水抽出，其最大排量為140m³/h,輸出相對壓力為20m水柱。由泵輸送的水，一部分通過主試驗管路的試驗段，另-部分經(jīng)旁通管路返回到原來的水箱中。主試驗管路是一段口徑為125mm的直管段，一臺標(biāo)準(zhǔn)電磁流量計安裝在該直管段上，其準(zhǔn)確度為1%。該直管段的末端與密閉水箱B相連，這樣可以消除由離心泵引起的任何脈動流影響。在水箱B的出口裝有口徑為100mm的直管段，其中測試段就安裝在此直菅段上。試驗中，水返回到水箱A或者被排出。另外，試驗時還可向水中注人染料。利用2個并聯(lián)安裝在試驗段下游的控制閥來調(diào)節(jié)通過試驗段的水流量。為了避免試驗過程中水介質(zhì)的溫度上升，設(shè)置了一臺循環(huán)水式換熱器。在環(huán)路中冷卻水的流量采用伺服控制，其溫度偏差在±0.5C范圍內(nèi)。試驗段上游口徑100mm直管段的長度為4m，在其人口安裝了一臺管束式整流器。試驗段由孔板兩側(cè)分開，分為上游和下游試驗段。試驗管段采用有機玻璃透明管段，以便觀測流型和激光多普勒測速。由于在空氣和有機玻璃管段之間存在讀數(shù)偏差，為了避免有機玻璃管段產(chǎn)生的折射，而將有機玻璃管段的外壁做成平面。為了更好地觀察孔板兩邊的流動狀態(tài)，孔板兩側(cè)的法蘭是經(jīng)過特殊的，盡量保證為0.15D�？装迳�、下游的直管段長度為0.5m。這樣就可完成孔板兩側(cè)回流區(qū)的試驗:甚至β值為0.4也可以。
 
2.旋渦流發(fā)生器
　　旋渦流是由一種切向流發(fā)生器產(chǎn)生的，如圖2所示。部分流體從其人口沿著與軸線成切線方向進(jìn)人，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流。旋渦強度的確定借助于軸向流量Q軸向和總流量Q總流量之間的關(guān)系來定。即用無量綱旋流系數(shù)Q表達(dá)，其變化范圍為0(無旋流)至1(最大旋流)，數(shù)字表達(dá)式為:
 
　　據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹，旋渦強度也可用旋渦數(shù)量s來表示，即通過平均軸向分布U(r)和平均切向分布W(r)計算出來，表達(dá)式為:
 
　　該旋流系數(shù)n可以通過試驗與經(jīng)典的旋流數(shù)S用線性關(guān)系聯(lián)系起來。
 
三、試驗結(jié)果
　　在試驗過程中，β值為0.7和0.4，雷諾數(shù)為100000。
1.流動狀態(tài)觀測
　　在與管道同直徑的孔板的邊緣處設(shè)置2個毛細(xì)管，并且與管道的軸線對稱。試驗時，向兩根毛細(xì)管中注人示蹤劑(氣體或液體)，觀測孔板下游的流動狀態(tài)。為了清晰地觀察流動狀態(tài)，在透明管段上游放置一照明設(shè)備，其光束可以與軸線平行或垂直。
　　觀察結(jié)果表明，旋渦流使得射流擴(kuò)大而回流區(qū)減小。而且，當(dāng)旋流系數(shù)n較大和β值較小時，孔板下游處有明顯的射流沖擊，使得作用在管壁上的壓力產(chǎn)生很大的波動。.
2.速度測量
　　試驗中，使用了一臺二維激光多普勒測速儀。在旋流強度Ω為0.2和0.5時，進(jìn)行了測試。
3.上游流動狀態(tài)
　　圖3示出了在孔板上游1D處測得的平均軸向速度U和切向速度W的分布情況。
　　從中可以看出，隨著旋渦強度的增加，軸向速度U分布趨于變平。
 
　　從切向速度分布圖中可以看出，旋轉(zhuǎn)以管道軸線 為中心并分為兩個區(qū)域。在管道的中心(0≤r/D<0.25)為“強旋渦型”區(qū)，在該區(qū)內(nèi)切向速度W與 半徑r成正比。接近于管壁時，出現(xiàn)了一個由于摩擦 使得旋轉(zhuǎn)速度降低的區(qū)域。
　　利用上述的速度分布圖，可以計算出旋渦數(shù)s和旋渦角θs。因此，當(dāng)Ω=0.2時，S=0.1、θs=9°;當(dāng)Ω=0.5時，S=0.5、θs=36°。
4，下游流動狀態(tài)
(1)沿管道軸線的軸向速度展開圖
　　當(dāng)β值為0.4時，得到的曲線如圖4所示。從圖中可以清楚地看出，旋轉(zhuǎn)流不僅可以導(dǎo)致孔板附近處.速度增加，而且還可導(dǎo)致由于下游稍遠(yuǎn)處因旋轉(zhuǎn)運動射流的擴(kuò)展使得速度迅速地減小。當(dāng)下游旋轉(zhuǎn)運動較強(上游旋流較大和低β值)時，該旋轉(zhuǎn)的影響就更大。
 
(2)在孔板下游0.5D時測得的速度分布圖
　　圖5示出了當(dāng)β值為0.7時，孔板下游的平均軸向速度U和切向速度W的速度分布圖。
 
　　從圖中看出，當(dāng)Ω值較小時，射流形狀完全與無旋流時的結(jié)果相同。換句話說，隨著旋流強度的增加，射流區(qū)域消失了。
 
　　圖6示出了在剪切區(qū)內(nèi)軸向速度的波動量明顯增加。從流動圖像看出，這個不穩(wěn)定流現(xiàn)象與射流的沖擊相一致。對于一個給定的幅射狀態(tài)，這種現(xiàn)象使得局部速度交替地與在環(huán)流區(qū)觀察到的或射流中心區(qū)觀察到的一致。
　　當(dāng)β值為0.4時，雖然這種現(xiàn)象被強化了，但結(jié)果完全類似。
　　角動量軸向流量計算式:
 
　　上式表明在上游和下游測量點之間，φlang是減小的。Murakami和Kito所得的結(jié)果與其相同。
(3)靠近管壁附近的軸向速度分布:回流區(qū)平均長度的確定.
　　圖7示出了平均縱向速度分布的所有結(jié)果。對這些縱向速度分布，平均再附壁點與速度正負(fù)符號的變化相一致。
 
　　從圖7中可清楚地看出，旋渦流可導(dǎo)致回流區(qū)尺寸減小。因此，當(dāng)旋流強度較低(Ω=0.2)時，平均再附壁點大約在8.7h位置，而在無擾動及在相同雷諾數(shù)時，則大約在10h位置。當(dāng)Ω=0.5時，回流區(qū)長度減小到4.9h(β=0.7時)和2.9h(β=0.4時)。
這種現(xiàn)象在攝錄的流動圖像錄像中可以十分清楚地看到。這種現(xiàn)象與射流的迅速膨脹有關(guān)，而與離心力的作用無關(guān)。
(4)差壓測量
　　在D和D/2配置中旋渦流對差壓測量的影響。試驗過程中，在雷諾數(shù)為10000及相同總流量的條件下，改變旋流強度相對應(yīng)的旋流系數(shù)Ω.Ω從0~1范圍內(nèi)變化。
　　圖8示出了流出系數(shù)的變化，其定義式為:
 
　　式中p和np分別表示有擾動和無擾動條件)流出系數(shù)是旋流系數(shù)的函數(shù)。
 
　　從圖8可看出，當(dāng)旋流系數(shù)Ω低于0.2時,所產(chǎn)生的誤差可以忽略不計。這與Ω值為0.2時流動.研究結(jié)果相吻合。該結(jié)果表明，在射流起始階段，平均流量幾乎不變。這表明，即使不忽略旋轉(zhuǎn)運動對靜壓橫向梯度的影響，至少上游和下游也應(yīng)等效。.
　　當(dāng)Ω值大于0.2時，可以看出隨著被測試孔板.的不同，其性能也不同。對于最大的孔板(β=0.7),當(dāng)Ω值達(dá)到0.7時，流出系數(shù)的最大偏差可達(dá)27%。超出這個值后，系數(shù)CD急劇下降。當(dāng)Ω值大于0.82時，流出系數(shù)的偏差變?yōu)樨?fù)值。當(dāng)Ω=1時,CD的偏差為-14%。
　　對于Ω值為0.4的孔板，流出系數(shù)的偏差總是正值，并且隨著旋流強度增加而增大。當(dāng)Ω=1時，其最大誤差可達(dá)25%。
　　通過定性研究分析，一些學(xué)者(Lugt、Murakami、Kito和McHugh等)得到了性質(zhì)相同的結(jié)果。例如，當(dāng)β值較高時，流出系數(shù)趨向變化，反過來也是一樣。通常，這種特性變化取決于β值，這可以用對于差壓測量中有兩個相互反作用的物理現(xiàn)象來解釋。這兩個現(xiàn)象是:一方面由于離心力作用使得.上游速度分布逐漸變平，也使得下游射流更加明顯地收縮。另-方面由于旋轉(zhuǎn)運動的作用，使得射流變寬。除此之外還有旋轉(zhuǎn)流對孔板上、下游橫向靜壓力梯度的影響。因此，當(dāng)β值較低時，通過孔板的旋轉(zhuǎn)流沒有很大的加速，此時第一種現(xiàn)象起主要作用，導(dǎo)致測量的差壓值增大，而流出系數(shù)降低。反之，當(dāng)β值較高時，射流變平的影響減弱，而通過孔板的流體加速旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致射流進(jìn)一步擴(kuò)大，此時差壓降低。
　　這些通常的解釋并不總是可以得到驗證的。我們已經(jīng)指出，上述結(jié)論中的上游速度變平的影響及由于干擾影響射流收縮的變化等現(xiàn)象都不能用試驗來驗證。關(guān)于射流擴(kuò)展引起的旋流影響結(jié)果見圖4。從中明顯地看出，在射流起始段內(nèi)，位于管道中心的軸向速度隨著旋流強度增加而增大。
　　根據(jù)空氣動力學(xué)的研究結(jié)果，利用積分求和法可以確定相應(yīng)的測量誤差。這種方法將在下面計算孔板.上、下游差壓時進(jìn)行描述。由于旋流作用，不但要考慮流體沿著管道軸向流動的縱向加速度，而且還要考.慮上、下游管道橫截面上的橫向靜壓力梯度。鑒于上述兩種現(xiàn)象，其差壓公式為:
 
　　我們已將β值為0.7的孔板和兩個旋渦強度應(yīng)用.到我們自己的試驗結(jié)果中，所得結(jié)果見表1。
 
　　通過將使用該方法得到的結(jié)果與實際試驗結(jié)果相對比，可以看出存在明顯的不同。當(dāng)然，這主要是由于計算軸線和管壁之間差壓時計算簡化而造成的。。Murakami和Kito以前使用類似的方法得到的觀測結(jié)果也是如此。
　　有關(guān)更加完整的信息，尤其對于橫向靜壓梯度的計算可使用等人的流動模型。
　　如果把我們所得結(jié)果與以前引用過的試驗結(jié)果相比較，則可看出測出的流出系數(shù)的變化率有很大差別。結(jié)果表明，這些差別主要由于.上游旋轉(zhuǎn)流性質(zhì)的不同而造成的。
　　對于有關(guān)平均流量的最初解釋還應(yīng)附加上非穩(wěn)定流現(xiàn)象的附加說明。本文針對測量結(jié)果表明，由于旋渦流作用，差壓的巨大波動與旋流所引.起的流動的不穩(wěn)定有關(guān)。
　　這些現(xiàn)象與旋渦流量計使用中的情況類似。當(dāng)初始的旋流強度最強和β值最低時，這個影響最大。
四、結(jié)論
　　在本文中介紹了依據(jù)流動狀態(tài)的圖像化、二維激光多普勒測速(L.D.A)和平均管壁壓力結(jié)果。在不同的旋流強度下，對旋渦流的影響進(jìn)行了分析，尤其注意到了孔板下游射流的擴(kuò)展和回流區(qū)域長度的明顯減少。β值越小和上游旋轉(zhuǎn)流越強，這些現(xiàn)象就越明顯。
　　因此，當(dāng)旋流強度較低時，接近孔板處的平均流量不會受到較大的影響。流動圖像化和管壁壓力的測量充分揭示了不穩(wěn)定流的現(xiàn)象。
　　通過試驗，已將β值和旋流強度對測量誤差的影響進(jìn)行了驗證。把我們所得的結(jié)果與其他作者獲得的結(jié)果相對比表明，只知道旋渦數(shù)量還不足以預(yù)測儀表的測量誤差。這一結(jié)論與ReaderHaris的結(jié)論相吻合。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析表明，速度場和差壓測量之間的關(guān)系式只能通過數(shù)學(xué)模型來確定。

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