近年來, 我國(guó)大量水利科研工作者致力于各種流量計(jì)的研發(fā), 并取得了重大的進(jìn)展, 國(guó)產(chǎn)流量計(jì)不論是在性能上還是在技術(shù)上均已經(jīng)處于國(guó)際領(lǐng)先水平。但在測(cè)量150mm以上口徑的管道流量上, 目前的加工制造技術(shù)還比較落后, 不能生產(chǎn)出滿意的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)大管徑、大流速的流量計(jì)開展了廣泛的研究, 李小京、張駿等人針對(duì)矩形大口徑彎道流量計(jì)壓強(qiáng)分布問題, 通過對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 推導(dǎo)出針對(duì)不同位置、不同斷面的大口徑彎道流量計(jì)的流量系數(shù)公式;張志昌教授針對(duì)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(qiáng)沿程分布和彎徑比對(duì)彎道壓強(qiáng)的影響, 進(jìn)而推求出不同彎徑比、不同管徑情況下流量壓差之間的關(guān)系;中國(guó)計(jì)量學(xué)院以50毫米管徑為實(shí)驗(yàn)前提, 經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)研發(fā)了一種新型的差壓式流量計(jì)-雙錐流量計(jì), 并將Fluent仿真軟件與實(shí)流實(shí)驗(yàn)相結(jié)合, 研究雙錐流量計(jì)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(jì)精度低的原因, 研究分析流速與壓差的關(guān)系式, 運(yùn)用彎道管內(nèi)水動(dòng)力學(xué)規(guī)律, 設(shè)計(jì)一種新型的彎道旁通流量計(jì), 以解決差壓式流量計(jì)用于大管徑低流速的液體測(cè)量時(shí)會(huì)導(dǎo)致差壓太小從而變測(cè)量不出來或者測(cè)量精度低這個(gè)缺點(diǎn)。理論上, 流體流經(jīng)彎管, 在彎曲部分的任意一個(gè)圓截面上產(chǎn)生的動(dòng)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(dòng)。當(dāng)彎道內(nèi)總流量不同時(shí), 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(fù)雜的彎道水流運(yùn)動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)研究產(chǎn)生的不利因素, 現(xiàn)假設(shè)彎道內(nèi)的水流為理想流體且為恒定流, 各種運(yùn)動(dòng)要素均不隨時(shí)間改變, 彎管內(nèi)的水流隨水流的運(yùn)動(dòng)得以充分發(fā)展。因水流受到彎管內(nèi)壁的約束作用, 當(dāng)彎管通水時(shí), 該作用迫使水流改變?cè)厔?shì)運(yùn)動(dòng)方向, 隨著此約束的不斷增強(qiáng), 水流沿彎道作急變流曲線運(yùn)動(dòng)。根據(jù)以上分析:彎道管內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是理想流體所作的曲線有勢(shì)運(yùn)動(dòng), 且該運(yùn)動(dòng)以彎道曲率為中心。進(jìn)一步分析分布于該彎管中任意過水?dāng)嗝娴乃魅缦?在彎道中任取n-n過水?dāng)嗝? 并于水平線成夾角α, 在所截取的過水?dāng)嗝嫔先∫晃⒎种w, 設(shè)彎管同一過水?dāng)嗝鎯?nèi)、外兩點(diǎn)的流速與壓強(qiáng)分別為v1、v2和p1、p2, 彎管的內(nèi)半徑為r0, 彎道中任意點(diǎn)的流速為u0, 管道截面內(nèi)任意一點(diǎn)距圓形管道中心的距離為r, 該微分柱體兩端形心點(diǎn)離基準(zhǔn)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(dòng)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(shì)流流動(dòng)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(duì)彎管內(nèi)任意一點(diǎn), 由伯努利方程可知:

(2) 式兩邊微分并減去 (1) 式后化簡(jiǎn)有:

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

從研究彎道管內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律出發(fā), 根據(jù)現(xiàn)有的研究技術(shù)嘗試性的研究彎道角度、管道直徑、流速對(duì)彎管內(nèi)總流量與旁通管內(nèi)流量關(guān)系的影響, 研發(fā)出該裝置, 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析, 利用能量方程、動(dòng)量方程, 最終結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出彎道內(nèi)總流量與旁通管內(nèi)流量關(guān)系, 從而提高對(duì)大管徑低流速的液體進(jìn)行流量測(cè)定時(shí)的精度。假設(shè)彎管內(nèi)的流體為不可壓縮的實(shí)際流體, 其可連續(xù)穩(wěn)定的流經(jīng)彎管, 彎管內(nèi)流動(dòng)的流體滿足連續(xù)性方程、能量方程和動(dòng)量方程等。綜上可見, 對(duì)于既定的彎管, 通過測(cè)定流體流經(jīng)彎管時(shí)產(chǎn)生的壓力差和流體相關(guān)參數(shù), 利用電磁流量計(jì)測(cè)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(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì):

為了對(duì)推導(dǎo)流量關(guān)系基本公式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、并對(duì)基本公式中流量參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行研究, 采用實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量。測(cè)量?jī)x器準(zhǔn)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(jì)流速分別控制, 同時(shí)分別讀取電磁流量計(jì)和在電子渦輪流量計(jì)的讀數(shù)。當(dāng)閥門達(dá)到最大開度后, 再逐漸關(guān)閉控制閥門, 按同樣方法讀取和記錄測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)。

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

當(dāng)流體進(jìn)入彎管后, 因?yàn)閺澋劳獗趯?duì)流體產(chǎn)生一定的導(dǎo)流作用, 流體在作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)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(gè)壓力差, 這個(gè)壓力差促使流體在旁通管內(nèi)流動(dòng), 電磁流量計(jì)測(cè)量流經(jīng)旁通管內(nèi)的流量, 測(cè)壓孔取在彎管45°截面時(shí)旁通管內(nèi)流量達(dá)到最大, 最穩(wěn)定;測(cè)壓孔取在彎管22.5°截面時(shí)旁通管內(nèi)流量測(cè)量值誤差較大, 但具有較好的重現(xiàn)性;測(cè)壓孔取在彎管67.5°截面時(shí)旁通管內(nèi)流量測(cè)量誤差值呈發(fā)散現(xiàn)象。

本設(shè)計(jì)采用模擬與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法綜合分析研究了管道彎道旁通流量計(jì)的特性并得出以下主要結(jié)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(dòng)。 (2) 當(dāng)彎管內(nèi)總流量不同時(shí), 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(guān)。 (3) 通過觀測(cè)旁通所聯(lián)通的電磁流量計(jì)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(guān)系, 從而推知管道內(nèi)總流量, 且測(cè)壓孔取在彎管45°截面時(shí), 所推求的管道內(nèi)總流量與實(shí)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(jì), 依據(jù)彎道管內(nèi)水動(dòng)力學(xué)規(guī)律, 研究彎道內(nèi)總流量與旁通管內(nèi)流量關(guān)系, 通過實(shí)驗(yàn)研究率定設(shè)備參數(shù), 應(yīng)用前景廣闊。

需要指出的是, 管道彎道旁通流量計(jì)是一種新型的結(jié)構(gòu)型式, 目前在此方面的國(guó)內(nèi)外的理論研究和實(shí)踐較少, 因此, 要使這種新型結(jié)構(gòu)盡快得到廣泛使用, 還需要進(jìn)一步深入探討。本設(shè)計(jì)模擬與模型試驗(yàn)對(duì)管道彎道旁通流量計(jì)的特性進(jìn)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(shè)計(jì)中以恒定理想液體為基礎(chǔ)進(jìn)行的試驗(yàn), 但在實(shí)際工程中, 流體通常為非恒定流, 因此, 以后的研究應(yīng)在非恒定流作用下進(jìn)行。

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