摘要:本文介紹旋(xuán)渦流對孔闆流量(liang)計 性能影響的結(jié)果。主要對β值和旋(xuán)渦強度進行了分(fèn)析。該項工作生要(yào)基于流動圖形測(ce)試法、IDA激光多普勒(lè)測速和管壁壓力(lì)測量法，借助一個(gè)流體動力學裝置(zhi)完成的。另外，還對(duì)管内流動與△p差壓(yā)測量之間的關系(xi)進行了FENXI 。
概述
　　該工(gōng)作的主要目的，一(yī)方面是更好地了(le)解孔闆兩側的穩(wen)定流和不穩定流(liú)現象，另一方面是(shì)确定上遊流動幹(gàn)擾對内部流動特(tè)性和對流量測量(liang)的實際影響。爲了(le)達到上述目的，采(cai)用了多種試驗和(hé)數值計算方法。
　　在(zai)試驗中，采用了流(liu)動圖像法，激光多(duō)普勒測速儀(L.D.V)測量(liang)二維速度和管壁(bi)差壓測量法。
　　試驗(yan)時，選取了2個β值(0.4和(hé)0.7)。雷諾數(Uv·D/v)在104~2×105之間。
二(er)、試驗設備
1.試驗裝(zhuāng)置
　　圖1爲試驗裝置(zhi)，主要由水平試驗(yan)管路及一台離心(xin)泵組成。該離心泵(beng)通常在過壓狀态(tai)下運行。試驗時，由(yóu)離心泵将水箱A(容(róng)積爲1m³)中的水抽出(chu)，其最大排量爲140m³/h,輸(shū)出相對壓力爲20m水(shui)柱。由泵輸送的水(shuǐ)，一部分通過主試(shi)驗管路的試驗段(duàn)，另-部分經旁通管(guǎn)路返回到原來的(de)水箱中。主試驗管(guan)路是一段口徑爲(wei)125mm的直管段，一台标(biao)準電磁流量計安(ān)裝在該直管段上(shàng)，其準确度爲1%。該直(zhí)管段的末端與密(mì)閉水箱B相連，這樣(yang)可以消除由離心(xīn)泵引起的任何脈(mo)動流影響。在水箱(xiang)B的出口裝有口徑(jìng)爲100mm的直管段，其中(zhōng)測試段就安裝在(zai)此直菅段上。試驗(yan)中，水返回到水箱(xiang)A或者被排出。另外(wài)，試驗時還可向水(shui)中注人染料。利用(yòng)2個并聯安裝在試(shì)驗段下遊的控制(zhi)閥來調節通過試(shi)驗段的水流量。爲(wei)了避免試驗過程(cheng)中水介質的溫度(du)上升，設置了一台(tai)循環水式換熱器(qì)。在環路中冷卻水(shuǐ)的流量采用伺服(fú)控制，其溫度偏差(cha)在±0.5C範圍内。試驗段(duàn)上遊口徑100mm直管段(duan)的長度爲4m，在其人(rén)口安裝了一台管(guǎn)束式整流器。試驗(yàn)段由孔闆兩側分(fèn)開，分爲上遊和下(xià)遊試驗段。試驗管(guǎn)段采用有機玻璃(li)透明管段，以便觀(guān)測流型和激光多(duō)普勒測速。由于在(zài)空氣和有機玻璃(li)管段之間存在讀(dú)數偏差，爲了避免(miǎn)有機玻璃管段産(chan)生的折射，而将有(yǒu)機玻璃管段的外(wai)壁做成平面。爲了(le)更好地觀察孔闆(pan)兩邊的流動狀态(tài)，孔闆兩側的法蘭(lán)是經過特殊的，盡(jin)量保證爲0.15D。孔闆上(shang)、下遊的直管段長(zhǎng)度爲0.5m。這樣就可完(wan)成孔闆兩側回流(liú)區的試驗:甚至β值(zhí)爲0.4也可以。
 
2.旋渦流(liu)發生器
　　旋渦流是(shi)由一種切向流發(fā)生器産生的，如圖(tú)2所示。部分流體從(cong)其人口沿着與軸(zhóu)線成切線方向進(jin)人，從而産生旋轉(zhuǎn)流。旋渦強度的确(què)定借助于軸向流(liú)量Q軸向和總流量(liàng)Q總流量之間的關(guan)系來定。即用無量(liang)綱旋流系數Q表達(dá)，其變化範圍爲0(無(wu)旋流)至1(最大旋流(liu))，數字表達式爲:
 
　　據(jù)有關文獻介紹，旋(xuan)渦強度也可用旋(xuan)渦數量s來表示，即(ji)通過平均軸向分(fèn)布U(r)和平均切向分(fen)布W(r)計算出來，表達(dá)式爲:
 
　　該旋流系數(shù)n可以通過試驗與(yu)經典的旋流數S用(yòng)線性關系聯系起(qi)來。
 
三、試驗結果
　　在(zài)試驗過程中，β值爲(wèi)0.7和0.4，雷諾數爲100000。
1.流動(dòng)狀态觀測
　　在與管(guǎn)道同直徑的孔闆(pǎn)的邊緣處設置2個(gè)毛細管，并且與管(guan)道的軸線對稱。試(shi)驗時，向兩根毛細(xì)管中注人示蹤劑(ji)(氣體或液體)，觀測(ce)孔闆下遊的流動(dong)狀态。爲了清晰地(di)觀察流動狀态，在(zai)透明管段上遊放(fang)置一照明設備，其(qí)光束可以與軸線(xiàn)平行或垂直。
　　觀察(chá)結果表明，旋渦流(liu)使得射流擴大而(er)回流區減小。而且(qiě)，當旋流系數n較大(da)和β值較小時，孔闆(pan)下遊處有明顯的(de)射流沖擊，使得作(zuo)用在管壁上的壓(yā)力産生很大的波(bo)動。.
2.速度測量
　　試驗(yan)中，使用了一台二(èr)維激光多普勒測(ce)速儀。在旋流強度(dù)Ω爲0.2和0.5時，進行了測(cè)試。
3.上遊流動狀态(tai)
　　圖3示出了在孔闆(pǎn)上遊1D處測得的平(ping)均軸向速度U和切(qiē)向速度W的分布情(qing)況。
　　從中可以看出(chū)，随着旋渦強度的(de)增加，軸向速度U分(fèn)布趨于變平。
 
　　從切(qie)向速度分布圖中(zhōng)可以看出，旋轉以(yi)管道軸線 爲中心(xīn)并分爲兩個區域(yu)。在管道的中心(0≤r/D<0.25)爲(wei)“強旋渦型”區，在該(gai)區内切向速度W與(yǔ) 半徑r成正比。接近(jìn)于管壁時，出現了(le)一個由于摩擦 使(shi)得旋轉速度降低(dī)的區域。
　　利用上述(shù)的速度分布圖，可(ke)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Ω=0.5時，S=0.5、θs=36°。
4，下遊流動(dong)狀态
(1)沿管道軸線(xiàn)的軸向速度展開(kāi)圖
　　當β值爲0.4時，得到(dao)的曲線如圖4所示(shi)。從圖中可以清楚(chu)地看出，旋轉流不(bú)僅可以導緻孔闆(pǎn)附近處.速度增加(jiā)，而且還可導緻由(you)于下遊稍遠處因(yin)旋轉運動射流的(de)擴展使得速度迅(xùn)速地減小。當下遊(you)旋轉運動較強(上(shàng)遊旋流較大和低(di)β值)時，該旋轉的影(ying)響就更大。
 
(2)在孔闆(pǎn)下遊0.5D時測得的速(sù)度分布圖
　　圖5示出(chu)了當β值爲0.7時，孔闆(pan)下遊的平均軸向(xiang)速度U和切向速度(dù)W的速度分布圖。
 
　　從(cong)圖中看出，當Ω值較(jiào)小時，射流形狀完(wán)全與無旋流時的(de)結果相同。換句話(huà)說，随着旋流強度(du)的增加，射流區域(yu)消失了。
 
　　圖6示出了(le)在剪切區内軸向(xiàng)速度的波動量明(míng)顯增加。從流動圖(tú)像看出，這個不穩(wěn)定流現象與射流(liú)的沖擊相一緻。對(duì)于一個給定的幅(fu)射狀态，這種現象(xiàng)使得局部速度交(jiāo)替地與在環流區(qū)觀察到的或射流(liu)中心區觀察到的(de)一緻。
　　當β值爲0.4時，雖(suī)然這種現象被強(qiáng)化了，但結果完全(quán)類似。
　　角動量軸向(xiang)流量計算式:
 
　　上式(shì)表明在上遊和下(xia)遊測量點之間，φlang是(shi)減小的。Murakami和Kito所得的(de)結果與其相同。
(3)靠(kào)近管壁附近的軸(zhóu)向速度分布:回流(liu)區平均長度的确(que)定.
　　圖7示出了平均(jun)縱向速度分布的(de)所有結果。對這些(xiē)縱向速度分布，平(píng)均再附壁點與速(su)度正負符号的變(bian)化相一緻。
 
　　從圖7中(zhōng)可清楚地看出，旋(xuán)渦流可導緻回流(liú)區尺寸減小。因此(ci)，當旋流強度較低(di)(Ω=0.2)時，平均再附壁點(dian)大約在8.7h位置，而在(zai)無擾動及在相同(tóng)雷諾數時，則大約(yuē)在10h位置。當Ω=0.5時，回流(liú)區長度減小到4.9h(β=0.7時(shí))和2.9h(β=0.4時)。
這種現象在(zai)攝錄的流動圖像(xiang)錄像中可以十分(fen)清楚地看到。這種(zhǒng)現象與射流的迅(xùn)速膨脹有關，而與(yǔ)離心力的作用無(wú)關。
(4)差壓測量
　　在D和(hé)D/2配置中旋渦流對(duì)差壓測量的影響(xiǎng)。試驗過程中，在雷(lei)諾數爲10000及相同總(zong)流量的條件下，改(gai)變旋流強度相對(duì)應的旋流系數Ω.Ω從(cóng)0~1範圍内變化。
　　圖8示(shì)出了流出系數的(de)變化，其定義式爲(wèi):
 
　　式中p和np分别表示(shì)有擾動和無擾動(dòng)條件)流出系數是(shi)旋流系數的函數(shù)。
 
　　從圖8可看出，當旋(xuán)流系數Ω低于0.2時,所(suǒ)産生的誤差可以(yǐ)忽略不計。這與Ω值(zhí)爲0.2時流動.研究結(jié)果相吻合。該結果(guo)表明，在射流起始(shǐ)階段，平均流量幾(ji)乎不變。這表明，即(ji)使不忽略旋轉運(yun)動對靜壓橫向梯(ti)度的影響，至少上(shàng)遊和下遊也應等(deng)效。.
　　當Ω值大于0.2時，可(kě)以看出随着被測(ce)試孔闆.的不同，其(qi)性能也不同。對于(yú)最大的孔闆(β=0.7),當Ω值(zhi)達到0.7時，流出系數(shù)的最大偏差可達(dá)27%。超出這個值後，系(xi)數CD急劇下降。當Ω值(zhi)大于0.82時，流出系數(shù)的偏差變爲負值(zhi)。當Ω=1時,CD的偏差爲-14%。
　　對(dui)于Ω值爲0.4的孔闆，流(liu)出系數的偏差總(zǒng)是正值，并且随着(zhe)旋流強度增加而(er)增大。當Ω=1時，其最大(da)誤差可達25%。
　　通過定(ding)性研究分析，一些(xiē)學者(Lugt、Murakami、Kito和McHugh等)得到了(le)性質相同的結果(guo)。例如，當β值較高時(shi)，流出系數趨向變(biàn)化，反過來也是一(yī)樣。通常，這種特性(xìng)變化取決于β值，這(zhè)可以用對于差壓(yā)測量中有兩個相(xiang)互反作用的物理(lǐ)現象來解釋。這兩(liang)個現象是:一方面(miàn)由于離心力作用(yòng)使得.上遊速度分(fèn)布逐漸變平，也使(shi)得下遊射流更加(jia)明顯地收縮。另-方(fāng)面由于旋轉運動(dòng)的作用，使得射流(liú)變寬。除此之外還(hai)有旋轉流對孔闆(pan)上、下遊橫向靜壓(ya)力梯度的影響。因(yin)此，當β值較低時，通(tong)過孔闆的旋轉流(liú)沒有很大的加速(su)，此時第一種現象(xiang)起主要作用，導緻(zhì)測量的差壓值增(zēng)大，而流出系數降(jiang)低。反之，當β值較高(gāo)時，射流變平的影(ying)響減弱，而通過孔(kǒng)闆的流體加速旋(xuán)轉導緻射流進一(yī)步擴大，此時差壓(yā)降低。
　　這些通常的(de)解釋并不總是可(ke)以得到驗證的。我(wǒ)們已經指出，上述(shù)結論中的上遊速(sù)度變平的影響及(ji)由于幹擾影響射(shè)流收縮的變化等(deng)現象都不能用試(shi)驗來驗證。關于射(shè)流擴展引起的旋(xuán)流影響結果見圖(tú)4。從中明顯地看出(chū)，在射流起始段内(nei)，位于管道中心的(de)軸向速度随着旋(xuán)流強度增加而增(zeng)大。
　　根據空氣動力(lì)學的研究結果，利(lì)用積分求和法可(ke)以确定相應的測(cè)量誤差。這種方法(fǎ)将在下面計算孔(kong)闆.上、下遊差壓時(shi)進行描述。由于旋(xuán)流作用，不但要考(kao)慮流體沿着管道(dào)軸向流動的縱向(xiang)加速度，而且還要(yào)考.慮上、下遊管道(dao)橫截面上的橫向(xiang)靜壓力梯度。鑒于(yu)上述兩種現象，其(qi)差壓公式爲:
 
　　我們(men)已将β值爲0.7的孔闆(pan)和兩個旋渦強度(dù)應用.到我們自己(ji)的試驗結果中，所(suo)得結果見表1。
 
　　通過(guo)将使用該方法得(de)到的結果與實際(jì)試驗結果相對比(bi)，可以看出存在明(ming)顯的不同。當然，這(zhè)主要是由于計算(suàn)軸線和管壁之間(jian)差壓時計算簡化(huà)而造成的。。Murakami和Kito以前(qian)使用類似的方法(fa)得到的觀測結果(guo)也是如此。
　　有關更(gèng)加完整的信息，尤(you)其對于橫向靜壓(yā)梯度的計算可使(shǐ)用等人的流動模(mó)型。
　　如果把我們所(suǒ)得結果與以前引(yin)用過的試驗結果(guǒ)相比較，則可看出(chū)測出的流出系數(shù)的變化率有很大(da)差别。結果表明，這(zhè)些差别主要由于(yu).上遊旋轉流性質(zhì)的不同而造成的(de)。
　　對于有關平均流(liu)量的最初解釋還(hái)應附加上非穩定(dìng)流現象的附加說(shuo)明。本文針對測量(liàng)結果表明，由于旋(xuan)渦流作用，差壓的(de)巨大波動與旋流(liú)所引.起的流動的(de)不穩定有關。
　　這些(xiē)現象與旋渦流量(liàng)計使用中的情況(kuang)類似。當初始的旋(xuán)流強度最強和β值(zhí)最低時，這個影響(xiǎng)最大。
四、結論
　　在本(ben)文中介紹了依據(jù)流動狀态的圖像(xiàng)化、二維激光多普(pǔ)勒測速(L.D.A)和平均管(guan)壁壓力結果。在不(bú)同的旋流強度下(xia)，對旋渦流的影響(xiǎng)進行了分析，尤其(qí)注意到了孔闆下(xia)遊射流的擴展和(he)回流區域長度的(de)明顯減少。β值越小(xiǎo)和上遊旋轉流越(yuè)強，這些現象就越(yuè)明顯。
　　因此，當旋流(liu)強度較低時，接近(jìn)孔闆處的平均流(liú)量不會受到較大(dà)的影響。流動圖像(xiang)化和管壁壓力的(de)測量充分揭示了(le)不穩定流的現象(xiàng)。
　　通過試驗，已将β值(zhi)和旋流強度對測(cè)量誤差的影響進(jin)行了驗證。把我們(men)所得的結果與其(qi)他作者獲得的結(jie)果相對比表明，隻(zhī)知道旋渦數量還(hái)不足以預測儀表(biao)的測量誤差。這一(yi)結論與ReaderHaris的結論相(xiang)吻合。通過對試驗(yàn)數據的分析表明(míng)，速度場和差壓測(ce)量之間的關系式(shì)隻能通過數學模(mó)型來确定。

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