灌溉管道弯道旁通流量计

摘要：测量大管径、大流量管道流量时常用的各类流量计精度较低、价格昂贵、安装复杂。差压式流量计应用广泛且造价低, 但精度较低, 项目旨在研究差压式流量计用于大管径低流速的液体测量时会因差压太小测量精度低这个缺点进行改造。提出利用弯道布置流量计, 依据弯道管内水动力学规律, 研究弯道内总流量与旁通管内流量关系, 通过实验研究率定设备参数。

近年来, 我国大量水利科研工作者致力于各种流量计的研发, 并取得了重大的进展, 国产流量计不论是在性能上还是在技术上均已经处于国际领先水平。但在测量150mm以上口径的管道流量上, 目前的加工制造技术还比较落后, 不能生产出满意的优质产品。目前国内外学者对大管径、大流速的流量计开展了广泛的研究, 李小京、张骏等人针对矩形大口径弯道流量计压强分布问题, 通过对大量数据进行处理, 推导出针对不同位置、不同断面的大口径弯道流量计的流量系数公式;张志昌教授针对流量系数与弯管直径的变化规律的问题, 利用RNG K-&湍流模型, 研究了弯管内外壁压强沿程分布和弯径比对弯道压强的影响, 进而推求出不同弯径比、不同管径情况下流量压差之间的关系;中国计量学院以50毫米管径为实验前提, 经过大量实验研发了一种新型的差压式流量计-双锥流量计, 并将Fluent仿真软件与实流实验相结合, 研究双锥流量计流出系数在双锥直径比作用下的流量规律。

通过分析差压式流量计精度低的原因, 研究分析流速与压差的关系式, 运用弯道管内水动力学规律, 设计一种新型的弯道旁通流量计, 以解决差压式流量计用于大管径低流速的液体测量时会导致差压太小从而变测量不出来或者测量精度低这个缺点。理论上, 流体流经弯管, 在弯曲部分的任意一个圆截面上产生的动量矩是大致相同的。但由于弯道离心力的作用, 流体在弯道内外两侧之间将产生一定的压力差, 促使流体在旁通管内流动。当弯道内总流量不同时, 旁通管流量大小存在较大差异, 旁通管内流量大小取决于弯道内总流量。

为避免复杂的弯道水流运动对实验研究产生的不利因素, 现假设弯道内的水流为理想流体且为恒定流, 各种运动要素均不随时间改变, 弯管内的水流随水流的运动得以充分发展。因水流受到弯管内壁的约束作用, 当弯管通水时, 该作用迫使水流改变原趋势运动方向, 随着此约束的不断增强, 水流沿弯道作急变流曲线运动。根据以上分析:弯道管内的水流运动实际上是理想流体所作的曲线有势运动, 且该运动以弯道曲率为中心。进一步分析分布于该弯管中任意过水断面的水流如下:在弯道中任取n-n过水断面, 并于水平线成夹角α, 在所截取的过水断面上取一微分柱体, 设弯管同一过水断面内、外两点的流速与压强分别为v1、v2和p1、p2, 弯管的内半径为r0, 弯道中任意点的流速为u0, 管道截面内任意一点距圆形管道中心的距离为r, 该微分柱体两端形心点离基准面高度分别为z1和z2, 作用在微分柱体上的力在n方向上的投影分别为该柱体两端面上的动水压力 , 其自重沿n方向的投影 , 其所受的离心惯性力为, 在理想流体的势流流动中, 由于n方向与流线正交, 此方向上各力代数和为零, 有:

对弯管内任意一点, 由伯努利方程可知:

(2) 式两边微分并减去 (1) 式后化简有:

由以上推导有:曲率中心越近, 流速越大, 压强越小, 旁通管内流量较小;反之, 则流速越小, 压强越大, 旁通管内流量较大。

从研究弯道管内水流运动规律出发, 根据现有的研究技术尝试性的研究弯道角度、管道直径、流速对弯管内总流量与旁通管内流量关系的影响, 研发出该装置, 进行实验验证与分析, 利用能量方程、动量方程, 最终结合实验数据得出弯道内总流量与旁通管内流量关系, 从而提高对大管径低流速的液体进行流量测定时的精度。假设弯管内的流体为不可压缩的实际流体, 其可连续稳定的流经弯管, 弯管内流动的流体满足连续性方程、能量方程和动量方程等。综上可见, 对于既定的弯管, 通过测定流体流经弯管时产生的压力差和流体相关参数, 利用电磁流量计测出旁通管流量, 继而推求出主管道内总流量。

弯道内总流量-旁通管内流量实验装置的设计:

为了对推导流量关系基本公式进行实验验证、并对基本公式中流量参数的变化规律进行研究, 采用实验装置进行了实验测量。测量仪器准备就绪后, 开启水泵向管路中充水。按不同开度打开控制阀门, 待管道中水流稳定后, 使经济流速分别控制, 同时分别读取电磁流量计和在电子涡轮流量计的读数。当阀门达到最大开度后, 再逐渐关闭控制阀门, 按同样方法读取和记录测量数据。取同一开度两次数据平均值作为该开度下的测量数据。

经过多次模拟及模型试验, 通过改变弯管上测压孔的位置与弯道管径, 即改变压力作用点, 改变弯管总流量发现:

当流体进入弯管后, 因为弯道外壁对流体产生一定的导流作用, 流体在作圆周运动时所产生的离心力作用于弯管的内外两侧, 使弯道内外两侧产生一个压力差, 这个压力差促使流体在旁通管内流动, 电磁流量计测量流经旁通管内的流量, 测压孔取在弯管45°截面时旁通管内流量达到最大, 最稳定;测压孔取在弯管22.5°截面时旁通管内流量测量值误差较大, 但具有较好的重现性;测压孔取在弯管67.5°截面时旁通管内流量测量误差值呈发散现象。

本设计采用模拟与模型试验相结合的方法综合分析研究了管道弯道旁通流量计的特性并得出以下主要结论: (1) 由于弯道离心力的作用, 流体在弯道内外两侧之间将产生一定的压力差, 促使流体在旁通管内流动。 (2) 当弯管内总流量不同时, 旁通管流量大小存在较大差异, 此流量的大小与弯管内总流量有关。 (3) 通过观测旁通所联通的电磁流量计读数, 确定小弯管内的流量, 根据模拟出的大小弯管之间的流量大小关系, 从而推知管道内总流量, 且测压孔取在弯管45°截面时, 所推求的管道内总流量与实际流量误差最小。本课题创造性的提出利用弯道布置流量计, 依据弯道管内水动力学规律, 研究弯道内总流量与旁通管内流量关系, 通过实验研究率定设备参数, 应用前景广阔。

需要指出的是, 管道弯道旁通流量计是一种新型的结构型式, 目前在此方面的国内外的理论研究和实践较少, 因此, 要使这种新型结构尽快得到广泛使用, 还需要进一步深入探讨。本设计模拟与模型试验对管道弯道旁通流量计的特性进行了研究, 但仍有不足之处, 在以后的研究中可以从以下几方面考虑:

(1) 本设计中以恒定理想液体为基础进行的试验, 但在实际工程中, 流体通常为非恒定流, 因此, 以后的研究应在非恒定流作用下进行。

(2) 本设计中采用的弯道管径为200mm和300mm, 在以后的研究应采用管径更大的弯管进行试验, 以调整参数的变化的范围, 使经验公式具有普遍适用性。