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                灌溉管道彎道旁通流量計的研究

                來源:    發布日期:2019-05-29 09:52:18    作者:

                摘 要:測量大管徑、大流量管道流量時常用的各類流量計精度較低、價格昂貴、安裝復雜。差壓式流量計應用廣泛且造價低,但精度較低,項目旨在研究差壓式流量計用于大管徑低流速的液體測量時會因差壓太小測量精度低這個缺點進行改造。提出利用彎道布置流量計,依據彎道管內水動力學規律,研究彎道內總流量與旁通管內流量關系,通過實驗研究率定設備參數。

                1 概述
                近年來,我國大量水利科研工作者致力于各種流量計的研發,并取得了重大的進展,國產流量計不論是在性能上還是在技術上均已經處于國際領先水平。但在測量 150mm 以上口徑的管道流量上,目前的加工制造技術還比較落后,不能生產出滿意的優質產品。目前國內外學者對大管徑、大流速的流量計開展了廣泛的研究,李小京、張駿等人針對矩形大口徑彎道流量計壓強分布問題,通過對大量數據進行處理,推導出針對不同位置、不同斷面的大口徑彎道流量計的流量系數公式;張志昌教授針對流量系數與彎管直徑的變化規律的問題,利用 RNGK- & 湍流模型,研究了彎管內外壁壓強沿程分布和彎徑比對彎道壓強的影響,進而推求出不同彎徑比、不同管徑情況下流量壓差之間的關系;中國計量學院以 50 毫米管徑為實驗前提,經過大量實驗研發了一種新型的差壓式流量計 - 雙錐流量計,并將 Fluent 仿真軟件與實流實驗相結合,研究雙錐流量計流出系數在雙錐直徑比作用下的流量規律。

                2 理論分析
                通過分析差壓式流量計精度低的原因,研究分析流速與壓差的關系式,運用彎道管內水動力學規律,設計一種新型的彎道旁通流量計,以解決差壓式流量計用于大管徑低流速的液體測量時會導致差壓太小從而變測量不出來或者測量精度低這個缺點。理論上,流體流經彎管,在彎曲部分的任意一個圓截面
                上產生的動量矩是大致相同的。但由于彎道離心力的作用,流體在彎道內外兩側之間將產生一定的壓力差,促使流體在旁通管內流動。當彎道內總流量不同時,旁通管流量大小存在較大差異,旁通管內流量大小取決于彎道內總流量。

                2.1 彎道管內水流運動規律
                為避免復雜的彎道水流運動對實驗研究產生的不利因素,現假設彎道內的水流為理想流體且為恒定流,各種運動要素均不隨時間改變,彎管內的水流隨水流的運動得以充分發展。因水流受到彎管內壁的約束作用,當彎管通水時,該作用迫使水流改變原趨勢運動方向,隨著此約束的不斷增強,水流沿彎道
                作急變流曲線運動。根據以上分析:彎道管內的水流運動實際上是理想流體所作的曲線有勢運動,且該運動以彎道曲率為中心。進一步分析分布于該彎管中任意過水斷面的水流如下:在彎道中任取 n- n 過水斷面,并于水平線成夾角 α,在所截取的過水斷面上取一微分柱體,設彎管同一過水斷面內、外兩點的流速與壓強分別為 v1、v2 和 p1、p2,彎管的內半徑為 r0,彎道中任意點的流速為 u0,管道截面內任意一點距圓形管道中心的距離為r,該微分柱體兩端形心點離基準面高度分別為 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
                由以上推導有:曲率中心越近,流速越大,壓強越小,旁通管內流量較??;反之,則流速越小,壓強越大,旁通管內流量較大。

                2.2 研究方法
                從研究彎道管內水流運動規律出發,根據現有的研究技術嘗試性的研究彎道角度、管道直徑、流速對彎管內總流量與旁通管內流量關系的影響,研發出該裝置,進行實驗驗證與分析,利用能量方程、動量方程,最終結合實驗數據得出彎道內總流量與旁通管內流量關系,從而提高對大管徑低流速的液體進行流量測定時的精度。假設彎管內的流體為不可壓縮的實際流體,其可連續穩定的流經彎管,彎管內流動的流體滿足連續性方程、能量方程和動量方程等。綜上可見,對于既定的彎管,通過測定流體流經彎管時產生的壓力差和流體相關參數,利用電磁流量計測出旁通管流量,繼而推求出主管道內總流量。


                3 流量關系公式的實驗驗證
                彎道內總流量 - 旁通管內流量實驗裝置的設計:為了對推導流量關系基本公式進行實驗驗證、并對基本公式中流量參數的變化規律進行研究,采用實驗裝置進行了實驗測量。測量儀器準備就緒后,開啟水泵向管路中充水。按不同開度打開控制閥門,待管道中水流穩定后,使經濟流速分別控制在 ,同時分別讀取電磁流量計和電子渦輪流量計的讀數。當閥門達到最大開度后,再逐漸關閉控制閥門,按同樣方法讀取和記錄測量數據。取同一開度兩次數據平均值作為該開度下的測量數據。

                4 測試結果分析
                經過多次模擬及模型試驗,通過改變彎管上測壓孔的位置與彎道管徑,即改變壓力作用點,改變彎管總流量發現:當流體進入彎管后,因為彎道外壁對流體產生一定的導流作用,流體在作圓周運動時所產生的離心力作用于彎管的內外兩側,使彎道內外兩側產生一個壓力差,這個壓力差促使流體在旁通管內流動,電磁流量計測量流經旁通管內的流量,測壓孔取在彎管 45°截面時旁通管內流量達到最大,最穩定;測壓孔取在彎管 22.5°截面時旁通管內流量測量值誤差較大,但具有較好的重現性;測壓孔取在彎管 67.5°截面時旁通管內流量測量誤差值呈發散現象。

                5 結論與展望
                5.1 結論
                本設計采用模擬與模型試驗相結合的方法綜合分析研究了管道彎道旁通流量計的特性并得出以下主要結論:(1) 由于彎道離心力的作用,流體在彎道內外兩側之間將產生一定的壓力差,促使流體在旁通管內流動。(2)當彎管內總流量不同時,旁通管流量大小存在較大差異,此流量的大小與彎管內總流量有關。(3)通過觀測旁通所聯通的電磁流量計讀數,確定小彎管內的流量,根據模擬出的大小彎管之間的流量大小關系,從而推知管道內總流量,且測壓孔取在彎管 45°截面時,所推求的管道內總流量與實際流量誤差最小。本課題創造性的提出利用彎道布置流量計,依據彎道管內水動力學規律,研究彎道內總流量與旁通管內流量關系,通過實驗研究率定設備參數,應用前景廣闊。

                5.2 展望
                需要指出的是,管道彎道旁通流量計是一種新型的結構型式,目前在此方面的國內外的理論研究和實踐較少,因此,要使這種新型結構盡快得到廣泛使用,還需要進一步深入探討。本設計模擬與模型試驗對管道彎道旁通流量計的特性進行了研究,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)本設計中以恒定理想液體為基礎進行的試驗,但在實際工程中,流體通常為非恒定流,因此,以后的研究應在非恒定流作用下進行。
                (2)本設計中采用的彎道管徑為 200mm 和 300mm,在以后的研究應采用管徑更大的彎管進行試驗,以調整參數的變化的范圍,使經驗公式具有普遍適用性。

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