上游旋涡流对孔板流量计性能影响

摘要：本文介绍旋涡流对孔板流量计性能影响的试验研究结果。主要对β值和旋涡强度进行了研究分析。该项研究工作主要基于流动图形测试法、LDA激光多曾勒测速和管壁压力测量法，借助一个流体动力学装置完成的。另外。还对管内流动与△p差压测量之间的关系进行了研究。 
一、概述:
    为了更好地开展工业气体的流量测量研究，法国气体研究学会和标准局(NIST)一起组织召开了关于孔板流量测量讨论会。有许多从事工业流体测量方面的出席了会议，制定了今后气体测量方面的研究项目。该研究工作的主要目的，一方面是更好地了解孔板两侧的稳定流和不稳定流现象，另一方面是确定上游流动干扰对内部流动特性和对流量测量的实际影响。为了达到上述目的，采用了多种试验和数值计算方法。
    在试验中，采用了流动图像法，激光多普勒测速仪(L.D.V)测量二维速度和管壁差压测量法。 试验时，选取了2个R值(0.4和0.7)。雷诺数( U " Dlv)在10一2 x 105之间。
二、试验设备:
    1。试验装置
    图1为试验装置，主要由水平试验管路及一台离心泵组成。该离心泵通常在过压状态下运行。试验时，由离心泵将水箱A(容积为1m³)中的水抽出，其***大排量为140m³/h，输出相对压力为20 m水柱。由泵输送的水，一部分通过主试验管路的试验段，另一部分经旁通管路返回到原来的水箱中。主试验管路是一段口径为125 mm的直管段，一台标准电磁流量计安装在该直管段上，其准确度为1 %。该直管段的末端与密闭水箱B相连，这样可以消除由离心泵引起的任何脉动流影响。在水箱B的出口装有口径为100 mm的直管段，其中测试段就安装在此直营段上。试验中，水返回到水箱A或者被排出。另外，试验时还可向水中注人染料。利用2个并联安装在试验段下游的控制阀来调节通过试验段的水流量。为了避免试验过程中水介质的温度上升，设置了一台循环水式换热器。在环路中冷却水的流量采用伺服控制，其温度偏差在土0.5℃范围内。试验段上游口径100 mm直管段的长度为4 m，在其入口安装了一台管束式整流器。试验段由孔板两侧分开，分为上游和下游试验段。试验管段采用有机玻璃透明管段，以便观测流型和激光多普勒测速。由于在空气和有机玻璃管段之间存在读数偏差，为了避免有机玻璃管段产生的折射，而将有机玻璃管段的外壁做成平面。为了更好地观察孔板两边的流动状态，孔板两侧的法兰是经过特殊设计的，尽量保证为0.15 D。孔板上、下游的直管段长度为0.5 m。这样就可完成孔板两侧回流区的试验研究，甚至日值为0.4也可以。

图1试验装置简图
    2.旋涡流发生器：
    旋涡流是由一种切向流发生器产生的，如图2所示。部分流体从其人口沿着与轴线成切线方向进人，从而产生旋转流。旋涡强度的确定借助于轴向流量Q轴向和总流量Q总流量之间的关系来定。即用无量纲旋流系数S2表达，其变化范围为0(无旋流)至1(***大旋流)，数字表达式为:Q轴，句Q总流量据有关文献介绍，旋涡强度也可用旋涡数量S来表示，即通过平均轴向分布U(r)和平均切向分布W(r)计算出来，表达式为:

  该旋流系数门可以通过试验与经典的旋流数S用线性关系联系起来。

图2旋涡流发生器结构简图

三、试验结果：
    在试验过程中，a值为0.7和0.4，雷诺数为100000。
    1，流动状态观测    在与管道同直径的孔板的边缘处设置2个毛细管，并且与管道的轴线对称。试验时，向两根毛细管中注人示踪剂(气体或液体)，观测孔板下游的流动状态。为了清晰地观察流动状态，在透明管段上游放置一照明设备，其光束可以与轴线平行或垂直。
    观察结果表明，旋涡流使得射流扩大而回流区减小。而且，当旋流系数。较大和月值较小时，孔板下游处有明显的射流冲击，使得作用在管壁上的压力产生很大的波动。
    2，速度测量    试验中，使用了一台二维激光多普勒测速仪。在旋流强度月为0.2和0.5时，进行了测试。
    3，上游流动状态    图3示出了在孔板上游1D处测得的平均轴向速度U和切向速度W的分布情况。
    从中可以看出，随着旋涡强度的增加，轴向速度U分布趋于变平。

图3上游平均速度分布图
    从切向速度分布图中可以看出，旋转以管道轴线为中心并分为两个区域。在管道的中心(0, rlD <0.25)为“强旋涡型”区，在该区内切向速度W与半径;成正比。接近于管壁时，出现了一个由于摩擦使得旋转速度降低的区域。
    利用上述的速度分布图，可以计算出旋涡数S和旋涡角B,。因此，当。= 0.2时，S=0.1,  B,=90;当,C= 0.5时，S=0.5,  8,=3600。
    4.下游流动状态    (1)沿管道抽线的轴向速度展开图    当月值为0.4时，得到的曲线如图4所示。从图中可以清楚地看出，旋转流不仅可以导致孔板附近处速度增加，而且还可导致由于下游稍远处因旋转运动射流的扩展使得速度迅速地减小。当下游旋转运动较强(上游旋流较大和低R值)时，该旋转的影响就更大。

图4沿管轴线的平均轴向速度分布
    (2)在孔板下游0.5 D时测得的速度分布图    图5示出了当月值为0.7时，孔板下游的平均轴向速度U和切向速度W的速度分布图。

    击相一致。对于一个给定的幅射状态，这种现象使得局部速度交替地与在环流区观察到的或射流中心区观察到的一致。    当月值为0.4时，虽然这种现象被强化了，但结果完全类似。
    角动量轴向流量计算式:Tang=一dr上式表明在上游和下游测量点之间，T tan，是减小的。Murakami和Kit。所得的结果与其相同。
    (3)靠近管壁附近的轴向速度分布:回流区平均长度的确定    图7示出了平均纵向速度分布的所有结果。对这些纵向速度分布，平均再附壁点与速度正负符号的变化相一致。

图7距离管壁2mm处的平均纵向速度分布
    从图7中可清楚地看出，旋涡流可导致回流区尺寸减小。因此，当旋流强度较低(Sl = 0.2)时，平均再附壁点大约在8.7 h位置，而在无扰动及在相同雷诺数时，则大约在10 h位置。当S2 -0.5时，回流区长度减小到4.9 h(月= 0.7时)和2.9 h(召二0.4时)。    这种现象在摄录的流动图像录像中可以十分清楚地看到。这种现象与射流的迅速膨胀有关，而与离心力的作用无关。
    (4)差压测量    在D和D /2配置中研究了旋涡流对差压测量的影响。试验过程中，在雷诺数为100000及相同总流量的条件下，改变旋流强度相对应的旋流系数月，门从0一1范围内变化。    图8示出了流出系数的变化，其定义式为:

  (式中P和np分别表示有扰动和无扰动条件)流出系数是旋流系数的函数。

图8流出系数的偏差
    从图8可看出，当旋流系数门低于0.2时，所产生的误差可以忽略不计。这与门值为0.2时流动研究结果相吻合。该结果表明，在射流起始阶段，平均流量几乎不变。这表明，即使不忽略旋转运动对静压横向梯度的影响，至少上游和下游也应等效。
    当月值大于0.2时，可以看出随着被测试孔板的不同，其性能也不同。对于***大的孔板(R二0.7),当月值达到0.7时，流出系数的***大偏差可达27%0超出这个值后，系数co急剧下降。当月值大于0.82时，流出系数的偏差变为负值:当门二i时，c。的偏差为一i4%o    对于月值为0.4的孔板，流出系数的偏差总是正值，并且随着旋流强度增加而增大。当月=1时，其***大误差可达25%0    通过定性研究分析，一些学者(Lugt ,   Murakami ,hit。和Mc Hugh等)得到了性质相同的结果。
    例如，当R值较高时，流出系数趋向变化，反过来也是一样。通常，这种特性变化取决于R值，这可以用对于差压测量中有两个相互反作用的物理现象来解释。这两个现象是:一方面由于离心力作用使得上游速度分布逐渐变平，也使得下游射流更加明显地收缩。另一方面由于旋转运动的作用，使得射流变宽。除此之外还有旋转流对孔板上、下游横向静压力梯度的影响。因此，当R值较低时，通过孔板的旋转流没有很大的加速，此时种现象起主要作用，导致测量的差压值增大，而流出系数降低。反之，当a值较高时，射流变平的影响减弱，而通过孔板的流体加速旋转导致射流进一步扩大，此时差压降低。
    这些通常的解释并不总是可以得到验证的。我们已经指出，上述结论中的上游速度变平的影响及由于干扰影响射流收缩的变化等现象都不能用试验来验证。关于射流扩展引起的旋流影响结果见图4。从中明显地看出，在射流起始段内，位于管道中心的轴向速度随着旋流强度增加而增大。    根据空气动力学的研究结果，利用积分求和法可以确定相应的测量误差。这种方法将在下面计算孔板上、下游差压时进行描述。由于旋流作用，不但要考虑流体沿着管道轴向流动的纵向加速度，而且还要考虑上、下游管道横截面上的横向静压力梯度。鉴于上述两种现象，其差压公式为:

    我们已将召值为的孔板和两个旋涡强度应用到我们自己的试验结果中，所得结果见表1.

    通过将使用该方法得到的结果与实际试验结果相对比，可以看出存在明显的不同。当然，这主要是由于计算轴线和管壁之间差压时计算简化而造成的。
    Murakami和Kit。以前使用类似的方法得到的观测结果也是如此。
    有关更加完整的信息，尤其对于横向静压梯度的计算可使用Reader Harris等人的流动模型。
    如果把我们所得结果与以前引用过的试验结果相比较，则可看出测出的流出系数的变化率有很大差别。Reader Harris的研究结果表明，这些差别主要由于上游旋转流性质的不同而造成的。因此，把我们所得的速度分布结果与Murakami和Kit。所得到的速度分布相比较可以看出，在管道中心的受迫旋涡流比CERT所得的涡流要小些，并且在轴线上的速度较低。
    Reader Harris的研究结果表明，只知道旋涡数量是不够的，不必加上角动量的纵向通量这个附加参数。
    对于有关平均流量的***初解释还应附加上非稳定流现象的附加说明。本文针对这项研究所做测量结果表明，由于旋涡流作用，差压的巨大波动与旋流所引起的流动的不稳定有关。
    这些现象与旋涡流量计使用中的情况类似。当初始的旋流强度***强和月值较低时，这个影响***大。

     四、结论：
    在本文中介绍了依据流动状态的图像化、二维激光多普勒测速(L.D.A)和平均管壁压力的试验研究结果。在不同的旋流强度下，对旋涡流的影响进行了研究，尤其注意到了孔板下游射流的扩展和回流区域长度的明显减少。R值越小和上游旋转流越强，这些现象就越明显。
    因此，当旋流强度较低时，接近孔板处的平均流量不会受到较大的影响。流动图像化和管壁压力的测量充分揭示了不稳定流的现象。
    通过试验，已将a值和旋流强度对测量误差的影响进行了验证。把我们所得的结果与其他作者获得的结果相对比表明，只知道旋涡数量还不足以预测仪表的测量误差。这一结论与Reader Harris的结论相吻合。通过对试验数据的分析表明，速度场和差压测量之间的关系式只能通过的数学模型来确定。