摘(zhai)要:本文介紹(shao)旋渦流對孔(kong)闆流量計 性(xing)能影響的結(jié)果。主要對β值(zhí)和旋渦強度(du)進行了分析(xī)。該項工作生(sheng)要基于流動(dòng)圖形測試法(fa)、IDA激光多普勒(lè)測速和管壁(bi)壓力測量法(fǎ)，借助一個流(liu)體動力學裝(zhuāng)置完成的。另(ling)外，還對管内(nei)流動與△p差壓(yā)測量之間的(de)關系進行了(le)FENXI 。
概述
　　該工作(zuò)的主要目的(de)，一方面是更(gèng)好地了解孔(kǒng)闆兩側的穩(wěn)定流和不穩(wen)定流現象，另(ling)一方面是确(què)定上遊流動(dòng)幹擾對内部(bù)流動特性和(he)對流量測量(liàng)的實際影響(xiang)。爲了達到上(shang)述目的，采用(yòng)了多種試驗(yàn)和數值計算(suàn)方法。
　　在試驗(yan)中，采用了流(liú)動圖像法，激(jī)光多普勒測(cè)速儀(L.D.V)測量二(èr)維速度和管(guǎn)壁差壓測量(liàng)法。
　　試驗時，選(xuan)取了2個β值(0.4和(he)0.7)。雷諾數(Uv·D/v)在104~2×105之(zhi)間。
二、試驗設(she)備
1.試驗裝置(zhì)
　　圖1爲試驗裝(zhuang)置，主要由水(shui)平試驗管路(lu)及一台離心(xīn)泵組成。該離(lí)心泵通常在(zai)過壓狀态下(xià)運行。試驗時(shí)，由離心泵将(jiāng)水箱A(容積爲(wei)1m³)中的水抽出(chu)，其最大排量(liàng)爲140m³/h,輸出相對(dui)壓力爲20m水柱(zhù)。由泵輸送的(de)水，一部分通(tong)過主試驗管(guǎn)路的試驗段(duan)，另-部分經旁(páng)通管路返回(hui)到原來的水(shui)箱中。主試驗(yàn)管路是一段(duan)口徑爲125mm的直(zhi)管段，一台标(biāo)準電磁流量(liang)計安裝在該(gāi)直管段上，其(qí)準确度爲1%。該(gāi)直管段的末(mo)端與密閉水(shuǐ)箱B相連，這樣(yàng)可以消除由(you)離心泵引起(qi)的任何脈動(dòng)流影響。在水(shuǐ)箱B的出口裝(zhuāng)有口徑爲100mm的(de)直管段，其中(zhōng)測試段就安(ān)裝在此直菅(jiān)段上。試驗中(zhōng)，水返回到水(shuǐ)箱A或者被排(pai)出。另外，試驗(yan)時還可向水(shui)中注人染料(liào)。利用2個并聯(lian)安裝在試驗(yàn)段下遊的控(kong)制閥來調節(jiē)通過試驗段(duan)的水流量。爲(wèi)了避免試驗(yan)過程中水介(jie)質的溫度上(shang)升，設置了一(yī)台循環水式(shì)換熱器。在環(huán)路中冷卻水(shuǐ)的流量采用(yòng)伺服控制，其(qí)溫度偏差在(zai)±0.5C範圍内。試驗(yan)段上遊口徑(jing)100mm直管段的長(zhǎng)度爲4m，在其人(rén)口安裝了一(yī)台管束式整(zhěng)流器。試驗段(duàn)由孔闆兩側(ce)分開，分爲上(shàng)遊和下遊試(shì)驗段。試驗管(guǎn)段采用有機(jī)玻璃透明管(guan)段，以便觀測(ce)流型和激光(guāng)多普勒測速(sù)。由于在空氣(qì)和有機玻璃(lí)管段之間存(cun)在讀數偏差(chà)，爲了避免有(you)機玻璃管段(duàn)産生的折射(shè)，而将有機玻(bo)璃管段的外(wài)壁做成平面(mian)。爲了更好地(di)觀察孔闆兩(liang)邊的流動狀(zhuang)态，孔闆兩側(cè)的法蘭是經(jīng)過特殊的，盡(jìn)量保證爲0.15D。孔(kǒng)闆上、下遊的(de)直管段長度(dù)爲0.5m。這樣就可(kě)完成孔闆兩(liang)側回流區的(de)試驗:甚至β值(zhi)爲0.4也可以。
 
2.旋(xuán)渦流發生器(qi)
　　旋渦流是由(you)一種切向流(liú)發生器産生(sheng)的，如圖2所示(shì)。部分流體從(cong)其人口沿着(zhe)與軸線成切(qie)線方向進人(ren)，從而産生旋(xuán)轉流。旋渦強(qiáng)度的确定借(jiè)助于軸向流(liú)量Q軸向和總(zǒng)流量Q總流量(liang)之間的關系(xi)來定。即用無(wú)量綱旋流系(xì)數Q表達，其變(biàn)化範圍爲0(無(wú)旋流)至1(最大(da)旋流)，數字表(biǎo)達式爲:
 
　　據有(you)關文獻介紹(shao)，旋渦強度也(ye)可用旋渦數(shu)量s來表示，即(ji)通過平均軸(zhou)向分布U(r)和平(ping)均切向分布(bù)W(r)計算出來，表(biǎo)達式爲:
 
　　該旋(xuan)流系數n可以(yǐ)通過試驗與(yu)經典的旋流(liu)數S用線性關(guān)系聯系起來(lái)。
 
三、試驗結果(guo)
　　在試驗過程(chéng)中，β值爲0.7和0.4，雷(léi)諾數爲100000。
1.流動(dong)狀态觀測
　　在(zai)與管道同直(zhí)徑的孔闆的(de)邊緣處設置(zhì)2個毛細管，并(bing)且與管道的(de)軸線對稱。試(shì)驗時，向兩根(gēn)毛細管中注(zhù)人示蹤劑(氣(qi)體或液體)，觀(guan)測孔闆下遊(yóu)的流動狀态(tài)。爲了清晰地(di)觀察流動狀(zhuang)态，在透明管(guǎn)段上遊放置(zhì)一照明設備(bèi)，其光束可以(yǐ)與軸線平行(hang)或垂直。
　　觀察(chá)結果表明，旋(xuán)渦流使得射(shè)流擴大而回(huí)流區減小。而(ér)且，當旋流系(xì)數n較大和β值(zhi)較小時，孔闆(pǎn)下遊處有明(míng)顯的射流沖(chòng)擊，使得作用(yòng)在管壁上的(de)壓力産生很(hěn)大的波動。.
2.速(su)度測量
　　試驗(yan)中，使用了一(yi)台二維激光(guāng)多普勒測速(sù)儀。在旋流強(qiang)度Ω爲0.2和0.5時，進(jin)行了測試。
3.上(shang)遊流動狀态(tài)
　　圖3示出了在(zài)孔闆上遊1D處(chu)測得的平均(jun)軸向速度U和(hé)切向速度W的(de)分布情況。
　　從(cong)中可以看出(chu)，随着旋渦強(qiáng)度的增加，軸(zhóu)向速度U分布(bù)趨于變平。
 
　　從(cong)切向速度分(fen)布圖中可以(yǐ)看出，旋轉以(yǐ)管道軸線 爲(wei)中心并分爲(wèi)兩個區域。在(zài)管道的中心(xīn)(0≤r/D<0.25)爲“強旋渦型(xíng)”區，在該區内(nèi)切向速度W與(yǔ) 半徑r成正比(bi)。接近于管壁(bì)時，出現了一(yi)個由于摩擦(cā) 使得旋轉速(su)度降低的區(qū)域。
　　利用上述(shu)的速度分布(bù)圖，可以計算(suan)出旋渦數s和(hé)旋渦角θs。因此(ci)，當Ω=0.2時，S=0.1、θs=9°;當Ω=0.5時，S=0.5、θs=36°。
4，下(xia)遊流動狀态(tai)
(1)沿管道軸線(xian)的軸向速度(du)展開圖
　　當β值(zhí)爲0.4時，得到的(de)曲線如圖4所(suo)示。從圖中可(kě)以清楚地看(kàn)出，旋轉流不(bu)僅可以導緻(zhi)孔闆附近處(chù).速度增加，而(er)且還可導緻(zhi)由于下遊稍(shao)遠處因旋轉(zhuǎn)運動射流的(de)擴展使得速(sù)度迅速地減(jiǎn)小。當下遊旋(xuan)轉運動較強(qiang)(上遊旋流較(jiào)大和低β值)時(shi)，該旋轉的影(ying)響就更大。
 
(2)在(zai)孔闆下遊0.5D時(shi)測得的速度(dù)分布圖
　　圖5示(shì)出了當β值爲(wei)0.7時，孔闆下遊(you)的平均軸向(xiàng)速度U和切向(xiàng)速度W的速度(du)分布圖。
 
　　從圖(tu)中看出，當Ω值(zhí)較小時，射流(liu)形狀完全與(yǔ)無旋流時的(de)結果相同。換(huan)句話說，随着(zhe)旋流強度的(de)增加，射流區(qū)域消失了。
 
　　圖(tú)6示出了在剪(jiǎn)切區内軸向(xiàng)速度的波動(dòng)量明顯增加(jiā)。從流動圖像(xiàng)看出，這個不(bú)穩定流現象(xiàng)與射流的沖(chong)擊相一緻。對(dui)于一個給定(ding)的幅射狀态(tài)，這種現象使(shi)得局部速度(dù)交替地與在(zai)環流區觀察(cha)到的或射流(liu)中心區觀察(cha)到的一緻。
　　當(dāng)β值爲0.4時，雖然(rán)這種現象被(bei)強化了，但結(jié)果完全類似(sì)。
　　角動量軸向(xiàng)流量計算式(shi):
 
　　上式表明在(zai)上遊和下遊(yóu)測量點之間(jian)，φlang是減小的。Murakami和(he)Kito所得的結果(guo)與其相同。
(3)靠(kào)近管壁附近(jìn)的軸向速度(du)分布:回流區(qu)平均長度的(de)确定.
　　圖7示出(chu)了平均縱向(xiàng)速度分布的(de)所有結果。對(dui)這些縱向速(su)度分布，平均(jun)再附壁點與(yu)速度正負符(fú)号的變化相(xiang)一緻。
 
　　從圖7中(zhong)可清楚地看(kàn)出，旋渦流可(kě)導緻回流區(qu)尺寸減小。因(yin)此，當旋流強(qiang)度較低(Ω=0.2)時，平(píng)均再附壁點(dian)大約在8.7h位置(zhi)，而在無擾動(dòng)及在相同雷(lei)諾數時，則大(dà)約在10h位置。當(dang)Ω=0.5時，回流區長(zhǎng)度減小到4.9h(β=0.7時(shi))和2.9h(β=0.4時)。
這種現(xiàn)象在攝錄的(de)流動圖像錄(lu)像中可以十(shi)分清楚地看(kan)到。這種現象(xiang)與射流的迅(xun)速膨脹有關(guan)，而與離心力(li)的作用無關(guān)。
(4)差壓測量
　　在(zài)D和D/2配置中旋(xuán)渦流對差壓(ya)測量的影響(xiang)。試驗過程中(zhōng)，在雷諾數爲(wei)10000及相同總流(liu)量的條件下(xia)，改變旋流強(qiang)度相對應的(de)旋流系數Ω.Ω從(cóng)0~1範圍内變化(hua)。
　　圖8示出了流(liu)出系數的變(bian)化，其定義式(shì)爲:
 
　　式中p和np分(fen)别表示有擾(rao)動和無擾動(dòng)條件)流出系(xì)數是旋流系(xi)數的函數。
 
　　從(cong)圖8可看出，當(dāng)旋流系數Ω低(di)于0.2時,所産生(sheng)的誤差可以(yǐ)忽略不計。這(zhè)與Ω值爲0.2時流(liu)動.研究結果(guǒ)相吻合。該結(jie)果表明，在射(she)流起始階段(duan)，平均流量幾(jǐ)乎不變。這表(biǎo)明，即使不忽(hū)略旋轉運動(dòng)對靜壓橫向(xiang)梯度的影響(xiang)，至少上遊和(hé)下遊也應等(deng)效。.
　　當Ω值大于(yú)0.2時，可以看出(chu)随着被測試(shì)孔闆.的不同(tong)，其性能也不(bú)同。對于最大(dà)的孔闆(β=0.7),當Ω值(zhí)達到0.7時，流出(chu)系數的最大(dà)偏差可達27%。超(chāo)出這個值後(hòu)，系數CD急劇下(xià)降。當Ω值大于(yu)0.82時，流出系數(shu)的偏差變爲(wèi)負值。當Ω=1時,CD的(de)偏差爲-14%。
　　對于(yú)Ω值爲0.4的孔闆(pan)，流出系數的(de)偏差總是正(zheng)值，并且随着(zhe)旋流強度增(zeng)加而增大。當(dang)Ω=1時，其最大誤(wù)差可達25%。
　　通過(guò)定性研究分(fen)析，一些學者(zhe)(Lugt、Murakami、Kito和McHugh等)得到了(le)性質相同的(de)結果。例如，當(dang)β值較高時，流(liú)出系數趨向(xiang)變化，反過來(lai)也是一樣。通(tōng)常，這種特性(xing)變化取決于(yu)β值，這可以用(yong)對于差壓測(cè)量中有兩個(gè)相互反作用(yòng)的物理現象(xiàng)來解釋。這兩(liǎng)個現象是:一(yī)方面由于離(lí)心力作用使(shi)得.上遊速度(dù)分布逐漸變(bian)平，也使得下(xià)遊射流更加(jia)明顯地收縮(suo)。另-方面由于(yú)旋轉運動的(de)作用，使得射(she)流變寬。除此(cǐ)之外還有旋(xuán)轉流對孔闆(pǎn)上、下遊橫向(xiang)靜壓力梯度(dù)的影響。因此(ci)，當β值較低時(shí)，通過孔闆的(de)旋轉流沒有(you)很大的加速(sù)，此時第一種(zhong)現象起主要(yào)作用，導緻測(cè)量的差壓值(zhi)增大，而流出(chū)系數降低。反(fǎn)之，當β值較高(gao)時，射流變平(píng)的影響減弱(ruò)，而通過孔闆(pan)的流體加速(su)旋轉導緻射(shè)流進一步擴(kuo)大，此時差壓(yā)降低。
　　這些通(tong)常的解釋并(bing)不總是可以(yǐ)得到驗證的(de)。我們已經指(zhi)出，上述結論(lùn)中的上遊速(sù)度變平的影(ying)響及由于幹(gàn)擾影響射流(liú)收縮的變化(hua)等現象都不(bu)能用試驗來(lai)驗證。關于射(shè)流擴展引起(qi)的旋流影響(xiang)結果見圖4。從(cóng)中明顯地看(kan)出，在射流起(qǐ)始段内，位于(yu)管道中心的(de)軸向速度随(suí)着旋流強度(dù)增加而增大(dà)。
　　根據空氣動(dòng)力學的研究(jiu)結果，利用積(ji)分求和法可(ke)以确定相應(ying)的測量誤差(chà)。這種方法将(jiāng)在下面計算(suan)孔闆.上、下遊(you)差壓時進行(háng)描述。由于旋(xuan)流作用，不但(dàn)要考慮流體(ti)沿着管道軸(zhou)向流動的縱(zong)向加速度，而(er)且還要考.慮(lü)上、下遊管道(dào)橫截面上的(de)橫向靜壓力(lì)梯度。鑒于上(shang)述兩種現象(xiang)，其差壓公式(shì)爲:
 
　　我們已将(jiang)β值爲0.7的孔闆(pǎn)和兩個旋渦(wo)強度應用.到(dào)我們自己的(de)試驗結果中(zhōng)，所得結果見(jian)表1。
 
　　通過将使(shǐ)用該方法得(de)到的結果與(yǔ)實際試驗結(jie)果相對比，可(ke)以看出存在(zai)明顯的不同(tóng)。當然，這主要(yao)是由于計算(suàn)軸線和管壁(bì)之間差壓時(shi)計算簡化而(er)造成的。。Murakami和Kito以(yǐ)前使用類似(sì)的方法得到(dào)的觀測結果(guǒ)也是如此。
　　有(you)關更加完整(zhěng)的信息，尤其(qi)對于橫向靜(jing)壓梯度的計(ji)算可使用等(děng)人的流動模(mó)型。
　　如果把我(wǒ)們所得結果(guo)與以前引用(yong)過的試驗結(jié)果相比較，則(zé)可看出測出(chu)的流出系數(shù)的變化率有(yǒu)很大差别。結(jie)果表明，這些(xiē)差别主要由(you)于.上遊旋轉(zhuan)流性質的不(bú)同而造成的(de)。
　　對于有關平(píng)均流量的最(zuì)初解釋還應(ying)附加上非穩(wěn)定流現象的(de)附加說明。本(ben)文針對測量(liang)結果表明，由(yóu)于旋渦流作(zuo)用，差壓的巨(ju)大波動與旋(xuán)流所引.起的(de)流動的不穩(wen)定有關。
　　這些(xiē)現象與旋渦(wō)流量計使用(yòng)中的情況類(lèi)似。當初始的(de)旋流強度最(zui)強和β值最低(di)時，這個影響(xiǎng)最大。
四、結論(lun)
　　在本文中介(jie)紹了依據流(liu)動狀态的圖(tú)像化、二維激(jī)光多普勒測(cè)速(L.D.A)和平均管(guan)壁壓力結果(guǒ)。在不同的旋(xuán)流強度下，對(duì)旋渦流的影(yǐng)響進行了分(fen)析，尤其注意(yi)到了孔闆下(xia)遊射流的擴(kuò)展和回流區(qu)域長度的明(míng)顯減少。β值越(yue)小和上遊旋(xuan)轉流越強，這(zhè)些現象就越(yuè)明顯。
　　因此，當(dāng)旋流強度較(jiao)低時，接近孔(kong)闆處的平均(jun)流量不會受(shou)到較大的影(yǐng)響。流動圖像(xiàng)化和管壁壓(ya)力的測量充(chōng)分揭示了不(bu)穩定流的現(xiàn)象。
　　通過試驗(yàn)，已将β值和旋(xuán)流強度對測(ce)量誤差的影(ying)響進行了驗(yàn)證。把我們所(suo)得的結果與(yu)其他作者獲(huo)得的結果相(xiàng)對比表明，隻(zhī)知道旋渦數(shu)量還不足以(yǐ)預測儀表的(de)測量誤差。這(zhè)一結論與ReaderHaris的(de)結論相吻合(hé)。通過對試驗(yan)數據的分析(xi)表明，速度場(chang)和差壓測量(liàng)之間的關系(xi)式隻能通過(guò)數學模型來(lai)确定。

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