摘要:本(ben)文介紹(shao)旋渦流(liu)對孔闆(pan)流量計(ji) 性能影(ying)響的結(jie)果。主要(yao)對β值和(he)旋渦強(qiang)度進行(hang)了分析(xi)。該項工(gong)作生要(yao)基于流(liu)動圖形(xing)測試法(fa)、IDA激光多(duo)普勒測(ce)速和管(guan)壁壓力(li)測量法(fa)，借助一(yi)個流體(ti)動力學(xue)裝置完(wan)成的。另(ling)外，還對(dui)管内流(liu)動與△p差(cha)壓測量(liang)之間的(de)關系進(jin)行了FENXI 。
概(gai)述
　　該工(gong)作的主(zhu)要目的(de)，一方面(mian)是更好(hao)地了解(jie)孔闆兩(liang)側的穩(wen)定流和(he)不穩定(ding)流現象(xiang)，另一方(fang)面是确(que)定上遊(you)流動幹(gan)擾對内(nei)部流動(dong)特性和(he)對流量(liang)測量的(de)實際影(ying)響。爲了(le)達到上(shang)述目的(de)，采用了(le)多種試(shi)驗和數(shu)值計算(suan)方法。
　　在(zai)試驗中(zhong)，采用了(le)流動圖(tu)像法，激(ji)光多普(pu)勒測速(su)儀(L.D.V)測量(liang)二維速(su)度和管(guan)壁差壓(ya)測量法(fa)。
　　試驗時(shi)，選取了(le)2個β值(0.4和(he)0.7)。雷諾數(shu)(Uv·D/v)在104~2×105之間(jian)。
二、試驗(yan)設備
1.試(shi)驗裝置(zhi)
　　圖1爲試(shi)驗裝置(zhi)，主要由(you)水平試(shi)驗管路(lu)及一台(tai)離心泵(beng)組成。該(gai)離心泵(beng)通常在(zai)過壓狀(zhuang)态下運(yun)行。試驗(yan)時，由離(li)心泵将(jiang)水箱A(容(rong)積爲1m³)中(zhong)的水抽(chou)出，其最(zui)大排量(liang)爲140m³/h,輸出(chu)相對壓(ya)力爲20m水(shui)柱。由泵(beng)輸送的(de)水，一部(bu)分通過(guo)主試驗(yan)管路的(de)試驗段(duan)，另-部分(fen)經旁通(tong)管路返(fan)回到原(yuan)來的水(shui)箱中。主(zhu)試驗管(guan)路是一(yi)段口徑(jing)爲125mm的直(zhi)管段，一(yi)台标準(zhun)電磁流(liu)量計安(an)裝在該(gai)直管段(duan)上，其準(zhun)确度爲(wei)1%。該直管(guan)段的末(mo)端與密(mi)閉水箱(xiang)B相連，這(zhe)樣可以(yi)消除由(you)離心泵(beng)引起的(de)任何脈(mo)動流影(ying)響。在水(shui)箱B的出(chu)口裝有(you)口徑爲(wei)100mm的直管(guan)段，其中(zhong)測試段(duan)就安裝(zhuang)在此直(zhi)菅段上(shang)。試驗中(zhong)，水返回(hui)到水箱(xiang)A或者被(bei)排出。另(ling)外，試驗(yan)時還可(ke)向水中(zhong)注人染(ran)料。利用(yong)2個并聯(lian)安裝在(zai)試驗段(duan)下遊的(de)控制閥(fa)來調節(jie)通過試(shi)驗段的(de)水流量(liang)。爲了避(bi)免試驗(yan)過程中(zhong)水介質(zhi)的溫度(du)上升，設(she)置了一(yi)台循環(huan)水式換(huan)熱器。在(zai)環路中(zhong)冷卻水(shui)的流量(liang)采用伺(si)服控制(zhi)，其溫度(du)偏差在(zai)±0.5C範圍内(nei)。試驗段(duan)上遊口(kou)徑100mm直管(guan)段的長(zhang)度爲4m，在(zai)其人口(kou)安裝了(le)一台管(guan)束式整(zheng)流器。試(shi)驗段由(you)孔闆兩(liang)側分開(kai)，分爲上(shang)遊和下(xia)遊試驗(yan)段。試驗(yan)管段采(cai)用有機(ji)玻璃透(tou)明管段(duan)，以便觀(guan)測流型(xing)和激光(guang)多普勒(le)測速。由(you)于在空(kong)氣和有(you)機玻璃(li)管段之(zhi)間存在(zai)讀數偏(pian)差，爲了(le)避免有(you)機玻璃(li)管段産(chan)生的折(she)射，而将(jiang)有機玻(bo)璃管段(duan)的外壁(bi)做成平(ping)面。爲了(le)更好地(di)觀察孔(kong)闆兩邊(bian)的流動(dong)狀态，孔(kong)闆兩側(ce)的法蘭(lan)是經過(guo)特殊的(de)，盡量保(bao)證爲0.15D。孔(kong)闆上、下(xia)遊的直(zhi)管段長(zhang)度爲0.5m。這(zhe)樣就可(ke)完成孔(kong)闆兩側(ce)回流區(qu)的試驗(yan):甚至β值(zhi)爲0.4也可(ke)以。
 
2.旋渦(wo)流發生(sheng)器
　　旋渦(wo)流是由(you)一種切(qie)向流發(fa)生器産(chan)生的，如(ru)圖2所示(shi)。部分流(liu)體從其(qi)人口沿(yan)着與軸(zhou)線成切(qie)線方向(xiang)進人，從(cong)而産生(sheng)旋轉流(liu)。旋渦強(qiang)度的确(que)定借助(zhu)于軸向(xiang)流量Q軸(zhou)向和總(zong)流量Q總(zong)流量之(zhi)間的關(guan)系來定(ding)。即用無(wu)量綱旋(xuan)流系數(shu)Q表達，其(qi)變化範(fan)圍爲0(無(wu)旋流)至(zhi)1(最大旋(xuan)流)，數字(zi)表達式(shi)爲:
 
　　據有(you)關文獻(xian)介紹，旋(xuan)渦強度(du)也可用(yong)旋渦數(shu)量s來表(biao)示，即通(tong)過平均(jun)軸向分(fen)布U(r)和平(ping)均切向(xiang)分布W(r)計(ji)算出來(lai)，表達式(shi)爲:
 
　　該旋(xuan)流系數(shu)n可以通(tong)過試驗(yan)與經典(dian)的旋流(liu)數S用線(xian)性關系(xi)聯系起(qi)來。
 
三、試(shi)驗結果(guo)
　　在試驗(yan)過程中(zhong)，β值爲0.7和(he)0.4，雷諾數(shu)爲100000。
1.流動(dong)狀态觀(guan)測
　　在與(yu)管道同(tong)直徑的(de)孔闆的(de)邊緣處(chu)設置2個(ge)毛細管(guan)，并且與(yu)管道的(de)軸線對(dui)稱。試驗(yan)時，向兩(liang)根毛細(xi)管中注(zhu)人示蹤(zong)劑(氣體(ti)或液體(ti))，觀測孔(kong)闆下遊(you)的流動(dong)狀态。爲(wei)了清晰(xi)地觀察(cha)流動狀(zhuang)态，在透(tou)明管段(duan)上遊放(fang)置一照(zhao)明設備(bei)，其光束(shu)可以與(yu)軸線平(ping)行或垂(chui)直。
　　觀察(cha)結果表(biao)明，旋渦(wo)流使得(de)射流擴(kuo)大而回(hui)流區減(jian)小。而且(qie)，當旋流(liu)系數n較(jiao)大和β值(zhi)較小時(shi)，孔闆下(xia)遊處有(you)明顯的(de)射流沖(chong)擊，使得(de)作用在(zai)管壁上(shang)的壓力(li)産生很(hen)大的波(bo)動。.
2.速度(du)測量
　　試(shi)驗中，使(shi)用了一(yi)台二維(wei)激光多(duo)普勒測(ce)速儀。在(zai)旋流強(qiang)度Ω爲0.2和(he)0.5時，進行(hang)了測試(shi)。
3.上遊流(liu)動狀态(tai)
　　圖3示出(chu)了在孔(kong)闆上遊(you)1D處測得(de)的平均(jun)軸向速(su)度U和切(qie)向速度(du)W的分布(bu)情況。
　　從(cong)中可以(yi)看出，随(sui)着旋渦(wo)強度的(de)增加，軸(zhou)向速度(du)U分布趨(qu)于變平(ping)。
 
　　從切向(xiang)速度分(fen)布圖中(zhong)可以看(kan)出，旋轉(zhuan)以管道(dao)軸線 爲(wei)中心并(bing)分爲兩(liang)個區域(yu)。在管道(dao)的中心(xin)(0≤r/D<0.25)爲“強旋(xuan)渦型”區(qu)，在該區(qu)内切向(xiang)速度W與(yu) 半徑r成(cheng)正比。接(jie)近于管(guan)壁時，出(chu)現了一(yi)個由于(yu)摩擦 使(shi)得旋轉(zhuan)速度降(jiang)低的區(qu)域。
　　利用(yong)上述的(de)速度分(fen)布圖，可(ke)以計算(suan)出旋渦(wo)數s和旋(xuan)渦角θs。因(yin)此，當Ω=0.2時(shi)，S=0.1、θs=9°;當Ω=0.5時，S=0.5、θs=36°。
4，下(xia)遊流動(dong)狀态
(1)沿(yan)管道軸(zhou)線的軸(zhou)向速度(du)展開圖(tu)
　　當β值爲(wei)0.4時，得到(dao)的曲線(xian)如圖4所(suo)示。從圖(tu)中可以(yi)清楚地(di)看出，旋(xuan)轉流不(bu)僅可以(yi)導緻孔(kong)闆附近(jin)處.速度(du)增加，而(er)且還可(ke)導緻由(you)于下遊(you)稍遠處(chu)因旋轉(zhuan)運動射(she)流的擴(kuo)展使得(de)速度迅(xun)速地減(jian)小。當下(xia)遊旋轉(zhuan)運動較(jiao)強(上遊(you)旋流較(jiao)大和低(di)β值)時，該(gai)旋轉的(de)影響就(jiu)更大。
 
(2)在(zai)孔闆下(xia)遊0.5D時測(ce)得的速(su)度分布(bu)圖
　　圖5示(shi)出了當(dang)β值爲0.7時(shi)，孔闆下(xia)遊的平(ping)均軸向(xiang)速度U和(he)切向速(su)度W的速(su)度分布(bu)圖。
 
　　從圖(tu)中看出(chu)，當Ω值較(jiao)小時，射(she)流形狀(zhuang)完全與(yu)無旋流(liu)時的結(jie)果相同(tong)。換句話(hua)說，随着(zhe)旋流強(qiang)度的增(zeng)加，射流(liu)區域消(xiao)失了。
 
　　圖(tu)6示出了(le)在剪切(qie)區内軸(zhou)向速度(du)的波動(dong)量明顯(xian)增加。從(cong)流動圖(tu)像看出(chu)，這個不(bu)穩定流(liu)現象與(yu)射流的(de)沖擊相(xiang)一緻。對(dui)于一個(ge)給定的(de)幅射狀(zhuang)态，這種(zhong)現象使(shi)得局部(bu)速度交(jiao)替地與(yu)在環流(liu)區觀察(cha)到的或(huo)射流中(zhong)心區觀(guan)察到的(de)一緻。
　　當(dang)β值爲0.4時(shi)，雖然這(zhe)種現象(xiang)被強化(hua)了，但結(jie)果完全(quan)類似。
　　角(jiao)動量軸(zhou)向流量(liang)計算式(shi):
 
　　上式表(biao)明在上(shang)遊和下(xia)遊測量(liang)點之間(jian)，φlang是減小(xiao)的。Murakami和Kito所(suo)得的結(jie)果與其(qi)相同。
(3)靠(kao)近管壁(bi)附近的(de)軸向速(su)度分布(bu):回流區(qu)平均長(zhang)度的确(que)定.
　　圖7示(shi)出了平(ping)均縱向(xiang)速度分(fen)布的所(suo)有結果(guo)。對這些(xie)縱向速(su)度分布(bu)，平均再(zai)附壁點(dian)與速度(du)正負符(fu)号的變(bian)化相一(yi)緻。
 
　　從圖(tu)7中可清(qing)楚地看(kan)出，旋渦(wo)流可導(dao)緻回流(liu)區尺寸(cun)減小。因(yin)此，當旋(xuan)流強度(du)較低(Ω=0.2)時(shi)，平均再(zai)附壁點(dian)大約在(zai)8.7h位置，而(er)在無擾(rao)動及在(zai)相同雷(lei)諾數時(shi)，則大約(yue)在10h位置(zhi)。當Ω=0.5時，回(hui)流區長(zhang)度減小(xiao)到4.9h(β=0.7時)和(he)2.9h(β=0.4時)。
這種(zhong)現象在(zai)攝錄的(de)流動圖(tu)像錄像(xiang)中可以(yi)十分清(qing)楚地看(kan)到。這種(zhong)現象與(yu)射流的(de)迅速膨(peng)脹有關(guan)，而與離(li)心力的(de)作用無(wu)關。
(4)差壓(ya)測量
　　在(zai)D和D/2配置(zhi)中旋渦(wo)流對差(cha)壓測量(liang)的影響(xiang)。試驗過(guo)程中，在(zai)雷諾數(shu)爲10000及相(xiang)同總流(liu)量的條(tiao)件下，改(gai)變旋流(liu)強度相(xiang)對應的(de)旋流系(xi)數Ω.Ω從0~1範(fan)圍内變(bian)化。
　　圖8示(shi)出了流(liu)出系數(shu)的變化(hua)，其定義(yi)式爲:
 
　　式(shi)中p和np分(fen)别表示(shi)有擾動(dong)和無擾(rao)動條件(jian))流出系(xi)數是旋(xuan)流系數(shu)的函數(shu)。
 
　　從圖8可(ke)看出，當(dang)旋流系(xi)數Ω低于(yu)0.2時,所産(chan)生的誤(wu)差可以(yi)忽略不(bu)計。這與(yu)Ω值爲0.2時(shi)流動.研(yan)究結果(guo)相吻合(he)。該結果(guo)表明，在(zai)射流起(qi)始階段(duan)，平均流(liu)量幾乎(hu)不變。這(zhe)表明，即(ji)使不忽(hu)略旋轉(zhuan)運動對(dui)靜壓橫(heng)向梯度(du)的影響(xiang)，至少上(shang)遊和下(xia)遊也應(ying)等效。.
　　當(dang)Ω值大于(yu)0.2時，可以(yi)看出随(sui)着被測(ce)試孔闆(pan).的不同(tong)，其性能(neng)也不同(tong)。對于最(zui)大的孔(kong)闆(β=0.7),當Ω值(zhi)達到0.7時(shi)，流出系(xi)數的最(zui)大偏差(cha)可達27%。超(chao)出這個(ge)值後，系(xi)數CD急劇(ju)下降。當(dang)Ω值大于(yu)0.82時，流出(chu)系數的(de)偏差變(bian)爲負值(zhi)。當Ω=1時,CD的(de)偏差爲(wei)-14%。
　　對于Ω值(zhi)爲0.4的孔(kong)闆，流出(chu)系數的(de)偏差總(zong)是正值(zhi)，并且随(sui)着旋流(liu)強度增(zeng)加而增(zeng)大。當Ω=1時(shi)，其最大(da)誤差可(ke)達25%。
　　通過(guo)定性研(yan)究分析(xi)，一些學(xue)者(Lugt、Murakami、Kito和McHugh等(deng))得到了(le)性質相(xiang)同的結(jie)果。例如(ru)，當β值較(jiao)高時，流(liu)出系數(shu)趨向變(bian)化，反過(guo)來也是(shi)一樣。通(tong)常，這種(zhong)特性變(bian)化取決(jue)于β值，這(zhe)可以用(yong)對于差(cha)壓測量(liang)中有兩(liang)個相互(hu)反作用(yong)的物理(li)現象來(lai)解釋。這(zhe)兩個現(xian)象是:一(yi)方面由(you)于離心(xin)力作用(yong)使得.上(shang)遊速度(du)分布逐(zhu)漸變平(ping)，也使得(de)下遊射(she)流更加(jia)明顯地(di)收縮。另(ling)-方面由(you)于旋轉(zhuan)運動的(de)作用，使(shi)得射流(liu)變寬。除(chu)此之外(wai)還有旋(xuan)轉流對(dui)孔闆上(shang)、下遊橫(heng)向靜壓(ya)力梯度(du)的影響(xiang)。因此，當(dang)β值較低(di)時，通過(guo)孔闆的(de)旋轉流(liu)沒有很(hen)大的加(jia)速，此時(shi)第一種(zhong)現象起(qi)主要作(zuo)用，導緻(zhi)測量的(de)差壓值(zhi)增大，而(er)流出系(xi)數降低(di)。反之，當(dang)β值較高(gao)時，射流(liu)變平的(de)影響減(jian)弱，而通(tong)過孔闆(pan)的流體(ti)加速旋(xuan)轉導緻(zhi)射流進(jin)一步擴(kuo)大，此時(shi)差壓降(jiang)低。
　　這些(xie)通常的(de)解釋并(bing)不總是(shi)可以得(de)到驗證(zheng)的。我們(men)已經指(zhi)出，上述(shu)結論中(zhong)的上遊(you)速度變(bian)平的影(ying)響及由(you)于幹擾(rao)影響射(she)流收縮(suo)的變化(hua)等現象(xiang)都不能(neng)用試驗(yan)來驗證(zheng)。關于射(she)流擴展(zhan)引起的(de)旋流影(ying)響結果(guo)見圖4。從(cong)中明顯(xian)地看出(chu)，在射流(liu)起始段(duan)内，位于(yu)管道中(zhong)心的軸(zhou)向速度(du)随着旋(xuan)流強度(du)增加而(er)增大。
　　根(gen)據空氣(qi)動力學(xue)的研究(jiu)結果，利(li)用積分(fen)求和法(fa)可以确(que)定相應(ying)的測量(liang)誤差。這(zhe)種方法(fa)将在下(xia)面計算(suan)孔闆.上(shang)、下遊差(cha)壓時進(jin)行描述(shu)。由于旋(xuan)流作用(yong)，不但要(yao)考慮流(liu)體沿着(zhe)管道軸(zhou)向流動(dong)的縱向(xiang)加速度(du)，而且還(hai)要考.慮(lü)上、下遊(you)管道橫(heng)截面上(shang)的橫向(xiang)靜壓力(li)梯度。鑒(jian)于上述(shu)兩種現(xian)象，其差(cha)壓公式(shi)爲:
 
　　我們(men)已将β值(zhi)爲0.7的孔(kong)闆和兩(liang)個旋渦(wo)強度應(ying)用.到我(wo)們自己(ji)的試驗(yan)結果中(zhong)，所得結(jie)果見表(biao)1。
 
　　通過将(jiang)使用該(gai)方法得(de)到的結(jie)果與實(shi)際試驗(yan)結果相(xiang)對比，可(ke)以看出(chu)存在明(ming)顯的不(bu)同。當然(ran)，這主要(yao)是由于(yu)計算軸(zhou)線和管(guan)壁之間(jian)差壓時(shi)計算簡(jian)化而造(zao)成的。。Murakami和(he)Kito以前使(shi)用類似(si)的方法(fa)得到的(de)觀測結(jie)果也是(shi)如此。
　　有(you)關更加(jia)完整的(de)信息，尤(you)其對于(yu)橫向靜(jing)壓梯度(du)的計算(suan)可使用(yong)等人的(de)流動模(mo)型。
　　如果(guo)把我們(men)所得結(jie)果與以(yi)前引用(yong)過的試(shi)驗結果(guo)相比較(jiao)，則可看(kan)出測出(chu)的流出(chu)系數的(de)變化率(lü)有很大(da)差别。結(jie)果表明(ming)，這些差(cha)别主要(yao)由于.上(shang)遊旋轉(zhuan)流性質(zhi)的不同(tong)而造成(cheng)的。
　　對于(yu)有關平(ping)均流量(liang)的最初(chu)解釋還(hai)應附加(jia)上非穩(wen)定流現(xian)象的附(fu)加說明(ming)。本文針(zhen)對測量(liang)結果表(biao)明，由于(yu)旋渦流(liu)作用，差(cha)壓的巨(ju)大波動(dong)與旋流(liu)所引.起(qi)的流動(dong)的不穩(wen)定有關(guan)。
　　這些現(xian)象與旋(xuan)渦流量(liang)計使用(yong)中的情(qing)況類似(si)。當初始(shi)的旋流(liu)強度最(zui)強和β值(zhi)最低時(shi)，這個影(ying)響最大(da)。
四、結論(lun)
　　在本文(wen)中介紹(shao)了依據(ju)流動狀(zhuang)态的圖(tu)像化、二(er)維激光(guang)多普勒(le)測速(L.D.A)和(he)平均管(guan)壁壓力(li)結果。在(zai)不同的(de)旋流強(qiang)度下，對(dui)旋渦流(liu)的影響(xiang)進行了(le)分析，尤(you)其注意(yi)到了孔(kong)闆下遊(you)射流的(de)擴展和(he)回流區(qu)域長度(du)的明顯(xian)減少。β值(zhi)越小和(he)上遊旋(xuan)轉流越(yue)強，這些(xie)現象就(jiu)越明顯(xian)。
　　因此，當(dang)旋流強(qiang)度較低(di)時，接近(jin)孔闆處(chu)的平均(jun)流量不(bu)會受到(dao)較大的(de)影響。流(liu)動圖像(xiang)化和管(guan)壁壓力(li)的測量(liang)充分揭(jie)示了不(bu)穩定流(liu)的現象(xiang)。
　　通過試(shi)驗，已将(jiang)β值和旋(xuan)流強度(du)對測量(liang)誤差的(de)影響進(jin)行了驗(yan)證。把我(wo)們所得(de)的結果(guo)與其他(ta)作者獲(huo)得的結(jie)果相對(dui)比表明(ming)，隻知道(dao)旋渦數(shu)量還不(bu)足以預(yu)測儀表(biao)的測量(liang)誤差。這(zhe)一結論(lun)與ReaderHaris的結(jie)論相吻(wen)合。通過(guo)對試驗(yan)數據的(de)分析表(biao)明，速度(du)場和差(cha)壓測量(liang)之間的(de)關系式(shi)隻能通(tong)過數學(xue)模型來(lai)确定。

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