摘要(yào):本文介紹(shào)旋渦(wō)流對(duì)孔闆流量(liàng)計(jì) 性能影(yǐng)響的結果。主要(yào)對β值(zhí)和旋渦強(qiáng)度進行(háng)了(le)分析(xī)。該項工(gōng)作(zuò)生要基于流動(dòng)圖形測試(shì)法、ida激光多(duō)普勒測速(sù)和管(guǎn)壁壓力測量法(fǎ)，借助一個(gè)流體(tǐ)動力學裝置完成的。另外(wài)，還對(duì)管内(nèi)流動與△p差(chà)壓測量之(zhī)間的(de)關系進行了fenxi 。
概(gài)述
　　該工作(zuò)的主要目的(de)，一(yī)方面(miàn)是更好地(dì)了解(jiě)孔闆兩側(cè)的穩(wěn)定流和不穩定(dìng)流現象，另一方面是确定(dìng)上遊(yóu)流動(dòng)幹擾(rǎo)對内(nèi)部流動特性和(hé)對流(liú)量測量的(de)實際(jì)影響。爲了(le)達(dá)到上述目的(de)，采用了多種試(shì)驗和數值計算(suàn)方法。
　　在(zài)試驗中(zhōng)，采用(yòng)了流動圖像法，激光多普(pǔ)勒測速儀(l.d.v)測(cè)量二維速(sù)度(dù)和管壁差壓(yā)測量法(fǎ)。
　　試驗時，選取了2個β值(0.4和0.7)。雷諾數(shù)(uv·d/v)在104~2×105之間。
二(èr)、試驗設備(bèi)
1.試驗裝置(zhì)
　　圖1爲試驗裝置(zhì)，主要(yào)由(yóu)水平試(shì)驗管(guǎn)路及(jí)一台(tái)離心泵組(zǔ)成(chéng)。該(gāi)離心泵(bèng)通常在(zài)過壓狀态下運行。試(shì)驗時，由離心(xīn)泵(bèng)将水箱a(容(róng)積爲1m³)中的水(shuǐ)抽(chōu)出，其最(zuì)大(dà)排量爲140m³/h,輸出(chū)相(xiàng)對壓(yā)力爲20m水柱。由泵輸送的水，一部(bù)分通過主試驗(yàn)管路的試(shì)驗段，另-部分(fèn)經旁通管路(lù)返回到原來的水(shuǐ)箱中。主(zhǔ)試驗(yàn)管路(lù)是一(yī)段口(kǒu)徑爲125mm的直(zhí)管段，一台(tái)标準(zhǔn)電磁(cí)流量計安(ān)裝在該(gāi)直(zhí)管段(duàn)上，其(qí)準确度(dù)爲(wèi)1%。該直管段的末(mò)端與(yǔ)密閉水箱(xiāng)b相連(lián)，這樣(yàng)可以(yǐ)消(xiāo)除由離(lí)心泵(bèng)引起的任何(hé)脈動流(liú)影響(xiǎng)。在水(shuǐ)箱b的(de)出(chū)口(kǒu)裝有(yǒu)口徑爲100mm的直管(guǎn)段，其(qí)中測試段(duàn)就安(ān)裝在此直(zhí)菅段(duàn)上。試(shì)驗中(zhōng)，水返回到水箱a或者(zhě)被排出。另(lìng)外，試(shì)驗時還可(kě)向水中注(zhù)人染(rǎn)料。利用2個(gè)并聯(lián)安裝(zhuāng)在(zài)試驗段(duàn)下遊的控制閥(fá)來(lái)調(diào)節通過試驗段的水流量(liàng)。爲了避(bì)免(miǎn)試驗(yàn)過程中水介質(zhì)的溫度上升，設(shè)置了(le)一台循環(huán)水式(shì)換熱(rè)器。在(zài)環路(lù)中(zhōng)冷(lěng)卻水(shuǐ)的流量采用伺服控(kòng)制，其溫度(dù)偏(piān)差在±0.5c範圍内(nèi)。試驗段上(shàng)遊口(kǒu)徑100mm直管段(duàn)的長度爲4m，在其(qí)人口(kǒu)安裝了一(yī)台管束式(shì)整流器。試(shì)驗段由(yóu)孔(kǒng)闆兩側分(fèn)開，分(fèn)爲上(shàng)遊和下遊(yóu)試驗段。試驗管(guǎn)段采(cǎi)用(yòng)有機玻(bō)璃透(tòu)明管(guǎn)段，以便觀(guān)測流(liú)型(xíng)和激光(guāng)多普勒測速。由(yóu)于在空氣(qì)和有機玻璃(lí)管段之(zhī)間存在讀(dú)數偏差，爲(wèi)了避免有(yǒu)機玻璃(lí)管(guǎn)段産生的(de)折射，而将(jiāng)有機玻璃管段(duàn)的外壁做成平(píng)面。爲了(le)更(gèng)好地觀察孔闆兩邊(biān)的流(liú)動(dòng)狀态，孔闆兩側(cè)的(de)法蘭(lán)是經過特(tè)殊的(de)，盡量(liàng)保證(zhèng)爲0.15d。孔闆上、下遊(yóu)的直(zhí)管段(duàn)長度爲0.5m。這(zhè)樣就可完(wán)成孔(kǒng)闆兩側回流區(qū)的試(shì)驗:甚(shèn)至β值(zhí)爲0.4也(yě)可(kě)以。
 
2.旋渦(wō)流發生(shēng)器
　　旋渦流是(shì)由一種切(qiē)向流發生器産生的，如圖2所示。部分流體從其人口(kǒu)沿着與軸(zhóu)線成切線方向(xiàng)進人，從而産生(shēng)旋轉(zhuǎn)流。旋(xuán)渦強度的确定借助(zhù)于軸向流(liú)量q軸(zhóu)向和總流量q總(zǒng)流量(liàng)之(zhī)間(jiān)的關系來(lái)定。即(jí)用無量綱旋(xuán)流(liú)系數(shù)q表達(dá)，其變化範(fàn)圍爲0(無旋流)至(zhì)1(最大旋(xuán)流)，數字(zì)表達式(shì)爲(wèi):
 
　　據有(yǒu)關文(wén)獻介紹，旋(xuán)渦強(qiáng)度也(yě)可用(yòng)旋渦(wō)數量s來表(biǎo)示，即通(tōng)過平均軸向(xiàng)分布u(r)和平(píng)均切向分(fèn)布w(r)計(jì)算出(chū)來，表達式(shì)爲:
 
　　該(gāi)旋流系數(shù)n可以通過試驗(yàn)與經典的(de)旋流(liú)數s用線性關系(xì)聯系起來。
 
三、試(shì)驗結果
　　在試驗(yàn)過程中，β值爲0.7和(hé)0.4，雷諾數爲(wèi)100000。
1.流動(dòng)狀态觀(guān)測
　　在與(yǔ)管道同直(zhí)徑的(de)孔闆的(de)邊(biān)緣處(chù)設置2個毛(máo)細管(guǎn)，并且(qiě)與管(guǎn)道的(de)軸線對稱(chēng)。試驗時，向(xiàng)兩根(gēn)毛細(xì)管中注人示蹤(zōng)劑(氣體(tǐ)或液體)，觀測孔闆(pǎn)下遊的流動狀(zhuàng)态。爲(wèi)了清(qīng)晰(xī)地觀察(chá)流動狀态，在透(tòu)明管段上遊(yóu)放(fàng)置一照明(míng)設備(bèi)，其光(guāng)束可以與(yǔ)軸線平(píng)行或垂直。
　　觀(guān)察結(jié)果表(biǎo)明，旋渦流使得射流(liú)擴(kuò)大(dà)而回(huí)流區(qū)減小。而且，當旋流系數n較大和β值較(jiào)小時(shí)，孔闆下(xià)遊處有(yǒu)明顯的(de)射(shè)流沖擊，使得(dé)作用在(zài)管壁(bì)上的壓力(lì)産生(shēng)很大的波(bō)動。.
2.速度測量
　　試(shì)驗中(zhōng)，使(shǐ)用(yòng)了一(yī)台二維激光多(duō)普勒測速儀。在(zài)旋流強度Ω爲0.2和(hé)0.5時，進(jìn)行了測試。
3.上遊流動(dòng)狀态(tài)
　　圖3示(shì)出(chū)了在孔闆上遊1d處(chù)測得的(de)平均軸向速(sù)度u和切向速(sù)度(dù)w的分(fèn)布情(qíng)況。
　　從(cóng)中可(kě)以(yǐ)看出，随(suí)着旋(xuán)渦強度的(de)增加(jiā)，軸向速度u分布(bù)趨于(yú)變平(píng)。
 
　　從切向速(sù)度分布圖中可以看(kàn)出，旋轉以管道軸線 爲中心并(bìng)分爲兩個(gè)區域(yù)。在管道(dào)的(de)中心(xīn)(0≤r/d<0.25)爲“強旋(xuán)渦(wō)型”區，在該(gāi)區内切向(xiàng)速度(dù)w與 半徑r成(chéng)正比(bǐ)。接近于管(guǎn)壁時，出(chū)現(xiàn)了一(yī)個由于摩擦 使(shǐ)得旋轉速(sù)度降低的區域。
　　利用(yòng)上述的速(sù)度分布圖，可(kě)以計算(suàn)出旋(xuán)渦(wō)數(shù)s和旋渦角(jiǎo)θs。因此，當Ω=0.2時(shí)，s=0.1、θs=9°;當Ω=0.5時，s=0.5、θs=36°。
4，下遊流動(dòng)狀态
(1)沿(yán)管道(dào)軸(zhóu)線的軸向(xiàng)速度(dù)展開圖(tú)
　　當(dāng)β值爲0.4時，得(dé)到的(de)曲線如(rú)圖4所示。從圖(tú)中可以清(qīng)楚地看出(chū)，旋(xuán)轉流不(bú)僅可以導緻孔(kǒng)闆附近(jìn)處.速度(dù)增(zēng)加，而且還可(kě)導緻由于(yú)下遊(yóu)稍遠處因(yīn)旋轉運動射流的擴(kuò)展使得速度迅速地(dì)減小。當下(xià)遊旋轉運動較(jiào)強(上(shàng)遊旋流較(jiào)大和低(dī)β值)時，該旋轉(zhuǎn)的影響就(jiù)更大。
 
(2)在孔(kǒng)闆下(xià)遊0.5d時(shí)測(cè)得的速(sù)度分(fèn)布圖(tú)
　　圖5示出了當(dāng)β值爲0.7時(shí)，孔闆下(xià)遊的平均軸向速度u和(hé)切向速度w的速(sù)度分(fèn)布圖。
 
　　從圖(tú)中看出，當Ω值較(jiào)小時(shí)，射流形狀完全與無旋流(liú)時的結(jié)果相(xiàng)同(tóng)。換句(jù)話(huà)說(shuō)，随着旋流強(qiáng)度的增(zēng)加，射(shè)流(liú)區域消(xiāo)失了。
 
　　圖6示出了(le)在剪切區(qū)内(nèi)軸(zhóu)向速(sù)度的(de)波動量明顯增(zēng)加。從(cóng)流動(dòng)圖像看出(chū)，這個(gè)不(bú)穩定流(liú)現象與射流的(de)沖擊(jī)相一緻。對(duì)于一個給定的(de)幅射狀态，這種現象使得局部(bù)速度交替(tì)地與(yǔ)在環(huán)流區觀察(chá)到的或(huò)射(shè)流中(zhōng)心區(qū)觀察(chá)到的一(yī)緻。
　　當(dāng)β值(zhí)爲0.4時(shí)，雖然這種現象(xiàng)被強化了，但結果完(wán)全(quán)類似。
　　角動量軸向(xiàng)流量(liàng)計算式:
 
　　上式表(biǎo)明在上遊(yóu)和下(xià)遊測(cè)量(liàng)點之間(jiān)，φlang是減小的。murakami和kito所(suǒ)得的(de)結(jié)果(guǒ)與其相同。
(3)靠近(jìn)管壁(bì)附近(jìn)的軸向(xiàng)速(sù)度分布:回(huí)流區平均長(zhǎng)度的确(què)定.
　　圖7示(shì)出(chū)了平均(jun1)縱(zòng)向速度分(fèn)布的所有(yǒu)結(jié)果(guǒ)。對這(zhè)些縱(zòng)向速度分(fèn)布，平(píng)均再附壁點與速度(dù)正(zhèng)負符号(hào)的變(biàn)化相一(yī)緻。
 
　　從圖(tú)7中可清(qīng)楚(chǔ)地看(kàn)出，旋渦(wō)流可導(dǎo)緻回流區(qū)尺寸(cùn)減小。因此(cǐ)，當旋(xuán)流強度較低(Ω=0.2)時(shí)，平均(jun1)再(zài)附(fù)壁點(diǎn)大約在(zài)8.7h位(wèi)置，而(ér)在無(wú)擾動及在(zài)相同雷諾數時(shí)，則大約在10h位置(zhì)。當Ω=0.5時，回流(liú)區長度減小到(dào)4.9h(β=0.7時)和(hé)2.9h(β=0.4時)。
這種現(xiàn)象在(zài)攝錄(lù)的流(liú)動圖(tú)像錄像中可以十分(fèn)清楚地看(kàn)到。這(zhè)種現象與(yǔ)射流(liú)的迅速膨脹有(yǒu)關(guān)，而與離心力(lì)的作用無(wú)關。
(4)差壓(yā)測(cè)量
　　在(zài)d和d/2配置中旋渦(wō)流對差(chà)壓測量的影響。試驗過(guò)程中，在雷(léi)諾數(shù)爲10000及相(xiàng)同(tóng)總流量的條(tiáo)件(jiàn)下，改(gǎi)變旋(xuán)流強度相(xiàng)對應的旋流系(xì)數Ω.Ω從(cóng)0~1範圍内變(biàn)化。
　　圖8示出(chū)了流出系數的變化，其定(dìng)義式(shì)爲:
 
　　式(shì)中p和np分别表示(shì)有擾(rǎo)動(dòng)和(hé)無擾(rǎo)動條件)流出系(xì)數是旋(xuán)流系數(shù)的函(hán)數(shù)。
 
　　從圖8可(kě)看出，當旋(xuán)流系(xì)數Ω低于(yú)0.2時,所産(chǎn)生的誤差可以忽略(luè)不計(jì)。這與(yǔ)Ω值爲0.2時流(liú)動.研究結(jié)果相吻合(hé)。該結果表明，在射流起(qǐ)始階段，平均流量(liàng)幾乎(hū)不變。這(zhè)表明，即(jí)使不(bú)忽略(luè)旋轉(zhuǎn)運動對靜(jìng)壓橫向梯度的影響(xiǎng)，至少(shǎo)上遊和下(xià)遊也應等效。.
　　當Ω值(zhí)大于0.2時，可以(yǐ)看出随着被測(cè)試孔闆.的(de)不同，其性能(néng)也(yě)不同(tóng)。對于最(zuì)大的孔(kǒng)闆(pǎn)(β=0.7),當Ω值達(dá)到0.7時(shí)，流出系數的(de)最(zuì)大偏差可達27%。超(chāo)出這(zhè)個(gè)值後，系(xì)數cd急劇下(xià)降。當(dāng)Ω值大于0.82時(shí)，流出(chū)系數的(de)偏差變(biàn)爲負值。當Ω=1時,cd的(de)偏差(chà)爲(wèi)-14%。
　　對于Ω值(zhí)爲0.4的孔闆，流出(chū)系數的偏(piān)差總(zǒng)是正(zhèng)值，并且随(suí)着旋流強(qiáng)度增(zēng)加而(ér)增大。當Ω=1時(shí)，其最大(dà)誤(wù)差可達25%。
　　通過定性研(yán)究分析，一些學(xué)者(lugt、murakami、kito和mchugh等(děng))得(dé)到了(le)性質相(xiàng)同的結果。例(lì)如，當β值較(jiào)高時，流出系數(shù)趨向(xiàng)變化，反過(guò)來也是一(yī)樣。通常，這種(zhǒng)特性變(biàn)化取(qǔ)決于(yú)β值，這(zhè)可以(yǐ)用對(duì)于差(chà)壓測(cè)量中有兩(liǎng)個相(xiàng)互反作用的物理(lǐ)現象來(lái)解釋(shì)。這兩個現(xiàn)象(xiàng)是:一方(fāng)面由(yóu)于離(lí)心(xīn)力(lì)作用使得(dé).上(shàng)遊(yóu)速度(dù)分布(bù)逐漸變平(píng)，也使(shǐ)得下遊射(shè)流更加明顯地(dì)收縮(suō)。另-方面由于旋轉運(yùn)動的(de)作用(yòng)，使得射流(liú)變寬。除此之外(wài)還(hái)有旋轉(zhuǎn)流對(duì)孔闆上、下遊橫(héng)向靜壓(yā)力(lì)梯度的影(yǐng)響(xiǎng)。因(yīn)此，當(dāng)β值較(jiào)低時，通過(guò)孔闆(pǎn)的旋轉流(liú)沒有(yǒu)很大的加(jiā)速，此(cǐ)時第一種(zhǒng)現象起主要作(zuò)用，導(dǎo)緻測量的(de)差(chà)壓(yā)值(zhí)增大，而(ér)流出(chū)系數(shù)降低(dī)。反之，當β值(zhí)較高(gāo)時，射流變平的(de)影響減弱(ruò)，而通過孔闆的流體(tǐ)加速(sù)旋轉導緻(zhì)射流(liú)進一(yī)步擴(kuò)大，此(cǐ)時(shí)差壓降低。
　　這些通常的(de)解釋并(bìng)不總是(shì)可以得到驗證的。我們(men)已經指出，上述結論中(zhōng)的上遊速度變(biàn)平(píng)的(de)影(yǐng)響(xiǎng)及由(yóu)于幹(gàn)擾影響(xiǎng)射(shè)流收縮的變化等現(xiàn)象都不能用試(shì)驗來驗證(zhèng)。關于射(shè)流(liú)擴展(zhǎn)引起的(de)旋流影(yǐng)響結果見(jiàn)圖4。從(cóng)中明顯地看出(chū)，在射流起始段(duàn)内，位于管(guǎn)道中(zhōng)心的(de)軸向速度随着旋(xuán)流強度(dù)增加而(ér)增大。
　　根(gēn)據空(kōng)氣動(dòng)力學(xué)的研究結(jié)果，利(lì)用積(jī)分求和法可以确定(dìng)相應的測量誤差。這種方法将(jiāng)在下面計算孔闆.上(shàng)、下遊(yóu)差壓時(shí)進(jìn)行描述。由(yóu)于旋(xuán)流作用，不但要(yào)考慮(lǜ)流體沿着(zhe)管道軸向流動的縱向加速(sù)度(dù)，而且還(hái)要(yào)考.慮上、下(xià)遊管道橫截面上(shàng)的橫向(xiàng)靜壓(yā)力梯度。鑒(jiàn)于上述兩種現象，其(qí)差(chà)壓公式爲:
 
　　我們(men)已将β值(zhí)爲0.7的孔闆和兩(liǎng)個旋渦強(qiáng)度應用.到(dào)我(wǒ)們自己的試驗結果中，所得結(jié)果見表1。
 
　　通過将使用該(gāi)方法得到的結(jié)果與實際(jì)試驗(yàn)結果相對(duì)比，可以看(kàn)出存在明(míng)顯的不(bú)同(tóng)。當然，這主(zhǔ)要是由于(yú)計算(suàn)軸線和管(guǎn)壁之間差壓時(shí)計算簡(jiǎn)化而造(zào)成的。。murakami和(hé)kito以前使(shǐ)用類(lèi)似(sì)的方法(fǎ)得到的觀(guān)測結果也是如此。
　　有關更加(jiā)完整的(de)信息，尤(yóu)其(qí)對于(yú)橫向靜壓(yā)梯度(dù)的計算可使(shǐ)用(yòng)等人(rén)的(de)流(liú)動模型。
　　如(rú)果把我們(men)所得結果(guǒ)與以前引(yǐn)用過的試(shì)驗結果相(xiàng)比較(jiào)，則可看(kàn)出測出(chū)的流出系(xì)數的(de)變化(huà)率有很大(dà)差(chà)别。結果(guǒ)表明(míng)，這些差别主(zhǔ)要(yào)由于.上遊旋轉(zhuǎn)流性質(zhì)的(de)不同(tóng)而造成的。
　　對于有關平均流量(liàng)的最(zuì)初解釋還(hái)應附(fù)加上(shàng)非穩(wěn)定流現(xiàn)象的附(fù)加說(shuō)明。本文針(zhēn)對(duì)測量結果表(biǎo)明，由(yóu)于旋渦流(liú)作用(yòng)，差壓的巨(jù)大波動(dòng)與旋流(liú)所引(yǐn).起的(de)流動(dòng)的不穩定有關(guān)。
　　這些現象(xiàng)與旋(xuán)渦流量(liàng)計使用(yòng)中的情(qíng)況(kuàng)類似(sì)。當初(chū)始的旋流(liú)強度最(zuì)強和β值(zhí)最低時，這(zhè)個(gè)影(yǐng)響最(zuì)大。
四(sì)、結論
　　在本文中介紹(shào)了依據流動狀(zhuàng)态的(de)圖像化、二(èr)維激光多(duō)普勒(lè)測速(l.d.a)和平均管(guǎn)壁壓力結(jié)果。在(zài)不同的旋流強(qiáng)度下，對旋渦流的影(yǐng)響進(jìn)行了(le)分析，尤其(qí)注意(yì)到了孔闆下遊(yóu)射流(liú)的擴展和回流(liú)區(qū)域(yù)長度(dù)的明顯減(jiǎn)少。β值(zhí)越小和上(shàng)遊旋(xuán)轉流越強，這些(xiē)現象就越明顯(xiǎn)。
　　因此，當(dāng)旋(xuán)流強(qiáng)度較(jiào)低時，接近(jìn)孔闆處的(de)平均流量不會受到(dào)較大的(de)影響。流動(dòng)圖像化(huà)和管(guǎn)壁壓力(lì)的測量(liàng)充分(fèn)揭示了不(bú)穩定流的現象。
　　通過試驗，已将(jiāng)β值和旋流(liú)強度(dù)對測量誤差(chà)的影響(xiǎng)進行了驗證。把我們所得(dé)的結果與其他作者(zhě)獲得的結(jié)果相(xiàng)對(duì)比表明(míng)，隻知道旋渦數(shù)量還不(bú)足(zú)以預測儀表(biǎo)的(de)測量(liàng)誤差。這(zhè)一結論(lùn)與readerharis的結論(lùn)相(xiàng)吻(wěn)合。通過對(duì)試驗(yàn)數據的(de)分析表(biǎo)明，速度(dù)場和差(chà)壓測量之間的(de)關系式隻(zhī)能(néng)通(tōng)過數學模(mó)型來(lái)确定(dìng)。

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