近年來, 我國大量水利科研工作者致力于各種流量計的研發(fā), 并取得了重大的進展, 國產(chǎn)流量計不論是在性能上還是在技術上均已經(jīng)處于國際領先水平。但在測量150mm以上口徑的管道流量上, 目前的加工制造技術還比較落后, 不能生產(chǎn)出滿意的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。目前國內(nèi)外學者對大管徑、大流速的流量計開展了廣泛的研究, 李小京、張駿等人針對矩形大口徑彎道流量計壓強分布問題, 通過對大量數(shù)據(jù)進行處理, 推導出針對不同位置、不同斷面的大口徑彎道流量計的流量系數(shù)公式;張志昌教授針對流量系數(shù)與彎管直徑的變化規(guī)律的問題, 利用RNG K-&湍流模型, 研究了彎管內(nèi)外壁壓強沿程分布和彎徑比對彎道壓強的影響, 進而推求出不同彎徑比、不同管徑情況下流量壓差之間的關系;中國計量學院以50毫米管徑為實驗前提, 經(jīng)過大量實驗研發(fā)了一種新型的差壓式流量計-雙錐流量計, 并將Fluent仿真軟件與實流實驗相結合, 研究雙錐流量計流出系數(shù)在雙錐直徑比作用下的流量規(guī)律。

通過分析差壓式流量計精度低的原因, 研究分析流速與壓差的關系式, 運用彎道管內(nèi)水動力學規(guī)律, 設計一種新型的彎道旁通流量計, 以解決差壓式流量計用于大管徑低流速的液體測量時會導致差壓太小從而變測量不出來或者測量精度低這個缺點。理論上, 流體流經(jīng)彎管, 在彎曲部分的任意一個圓截面上產(chǎn)生的動量矩是大致相同的。但由于彎道離心力的作用, 流體在彎道內(nèi)外兩側(cè)之間將產(chǎn)生一定的壓力差, 促使流體在旁通管內(nèi)流動。當彎道內(nèi)總流量不同時, 旁通管流量大小存在較大差異, 旁通管內(nèi)流量大小取決于彎道內(nèi)總流量。

為避免復雜的彎道水流運動對實驗研究產(chǎn)生的不利因素, 現(xiàn)假設彎道內(nèi)的水流為理想流體且為恒定流, 各種運動要素均不隨時間改變, 彎管內(nèi)的水流隨水流的運動得以充分發(fā)展。因水流受到彎管內(nèi)壁的約束作用, 當彎管通水時, 該作用迫使水流改變原趨勢運動方向, 隨著此約束的不斷增強, 水流沿彎道作急變流曲線運動。根據(jù)以上分析:彎道管內(nèi)的水流運動實際上是理想流體所作的曲線有勢運動, 且該運動以彎道曲率為中心。進一步分析分布于該彎管中任意過水斷面的水流如下:在彎道中任取n-n過水斷面, 并于水平線成夾角α, 在所截取的過水斷面上取一微分柱體, 設彎管同一過水斷面內(nèi)、外兩點的流速與壓強分別為v1、v2和p1、p2, 彎管的內(nèi)半徑為r0, 彎道中任意點的流速為u0, 管道截面內(nèi)任意一點距圓形管道中心的距離為r, 該微分柱體兩端形心點離基準面高度分別為z1和z2, 作用在微分柱體上的力在n方向上的投影分別為該柱體兩端面上的動水壓力 , 其自重沿n方向的投影 , 其所受的離心慣性力為, 在理想流體的勢流流動中, 由于n方向與流線正交, 此方向上各力代數(shù)和為零, 有:

對彎管內(nèi)任意一點, 由伯努利方程可知:

(2) 式兩邊微分并減去 (1) 式后化簡有:

由以上推導有:曲率中心越近, 流速越大, 壓強越小, 旁通管內(nèi)流量較小;反之, 則流速越小, 壓強越大, 旁通管內(nèi)流量較大。

從研究彎道管內(nèi)水流運動規(guī)律出發(fā), 根據(jù)現(xiàn)有的研究技術嘗試性的研究彎道角度、管道直徑、流速對彎管內(nèi)總流量與旁通管內(nèi)流量關系的影響, 研發(fā)出該裝置, 進行實驗驗證與分析, 利用能量方程、動量方程, 最終結合實驗數(shù)據(jù)得出彎道內(nèi)總流量與旁通管內(nèi)流量關系, 從而提高對大管徑低流速的液體進行流量測定時的精度。假設彎管內(nèi)的流體為不可壓縮的實際流體, 其可連續(xù)穩(wěn)定的流經(jīng)彎管, 彎管內(nèi)流動的流體滿足連續(xù)性方程、能量方程和動量方程等。綜上可見, 對于既定的彎管, 通過測定流體流經(jīng)彎管時產(chǎn)生的壓力差和流體相關參數(shù), 利用電磁流量計測出旁通管流量, 繼而推求出主管道內(nèi)總流量。

彎道內(nèi)總流量-旁通管內(nèi)流量實驗裝置的設計:

為了對推導流量關系基本公式進行實驗驗證、并對基本公式中流量參數(shù)的變化規(guī)律進行研究, 采用實驗裝置進行了實驗測量。測量儀器準備就緒后, 開啟水泵向管路中充水。按不同開度打開控制閥門, 待管道中水流穩(wěn)定后, 使經(jīng)濟流速分別控制, 同時分別讀取電磁流量計和在電子渦輪流量計的讀數(shù)。當閥門達到最大開度后, 再逐漸關閉控制閥門, 按同樣方法讀取和記錄測量數(shù)據(jù)。取同一開度兩次數(shù)據(jù)平均值作為該開度下的測量數(shù)據(jù)。

經(jīng)過多次模擬及模型試驗, 通過改變彎管上測壓孔的位置與彎道管徑, 即改變壓力作用點, 改變彎管總流量發(fā)現(xiàn):

當流體進入彎管后, 因為彎道外壁對流體產(chǎn)生一定的導流作用, 流體在作圓周運動時所產(chǎn)生的離心力作用于彎管的內(nèi)外兩側(cè), 使彎道內(nèi)外兩側(cè)產(chǎn)生一個壓力差, 這個壓力差促使流體在旁通管內(nèi)流動, 電磁流量計測量流經(jīng)旁通管內(nèi)的流量, 測壓孔取在彎管45°截面時旁通管內(nèi)流量達到最大, 最穩(wěn)定;測壓孔取在彎管22.5°截面時旁通管內(nèi)流量測量值誤差較大, 但具有較好的重現(xiàn)性;測壓孔取在彎管67.5°截面時旁通管內(nèi)流量測量誤差值呈發(fā)散現(xiàn)象。

本設計采用模擬與模型試驗相結合的方法綜合分析研究了管道彎道旁通流量計的特性并得出以下主要結論: (1) 由于彎道離心力的作用, 流體在彎道內(nèi)外兩側(cè)之間將產(chǎn)生一定的壓力差, 促使流體在旁通管內(nèi)流動。 (2) 當彎管內(nèi)總流量不同時, 旁通管流量大小存在較大差異, 此流量的大小與彎管內(nèi)總流量有關。 (3) 通過觀測旁通所聯(lián)通的電磁流量計讀數(shù), 確定小彎管內(nèi)的流量, 根據(jù)模擬出的大小彎管之間的流量大小關系, 從而推知管道內(nèi)總流量, 且測壓孔取在彎管45°截面時, 所推求的管道內(nèi)總流量與實際流量誤差最小。本課題創(chuàng)造性的提出利用彎道布置流量計, 依據(jù)彎道管內(nèi)水動力學規(guī)律, 研究彎道內(nèi)總流量與旁通管內(nèi)流量關系, 通過實驗研究率定設備參數(shù), 應用前景廣闊。

需要指出的是, 管道彎道旁通流量計是一種新型的結構型式, 目前在此方面的國內(nèi)外的理論研究和實踐較少, 因此, 要使這種新型結構盡快得到廣泛使用, 還需要進一步深入探討。本設計模擬與模型試驗對管道彎道旁通流量計的特性進行了研究, 但仍有不足之處, 在以后的研究中可以從以下幾方面考慮:

(1) 本設計中以恒定理想液體為基礎進行的試驗, 但在實際工程中, 流體通常為非恒定流, 因此, 以后的研究應在非恒定流作用下進行。

(2) 本設計中采用的彎道管徑為200mm和300mm, 在以后的研究應采用管徑更大的彎管進行試驗, 以調(diào)整參數(shù)的變化的范圍, 使經(jīng)驗公式具有普遍適用性。