摘要:本(běn)文介紹(shao)旋渦流(liú)對孔闆(pan)流量計(jì) 性能影(yǐng)響的結(jie)果。主要(yao)對β值和(hé)旋渦強(qiang)度進行(háng)了分析(xi)。該項工(gōng)作生要(yao)基于流(liú)動圖形(xíng)測試法(fa)、IDA激光多(duō)普勒測(cè)速和管(guǎn)壁壓力(lì)測量法(fa)，借助一(yi)個流體(tǐ)動力學(xue)裝置完(wan)成的。另(ling)外，還對(dui)管内流(liu)動與△p差(chà)壓測量(liàng)之間的(de)關系進(jìn)行了FENXI 。
概(gài)述
　　該工(gōng)作的主(zhu)要目的(de)，一方面(mian)是更好(hao)地了解(jiě)孔闆兩(liǎng)側的穩(wěn)定流和(he)不穩定(ding)流現象(xiang)，另一方(fang)面是确(què)定上遊(you)流動幹(gàn)擾對内(nei)部流動(dòng)特性和(hé)對流量(liang)測量的(de)實際影(yǐng)響。爲了(le)達到上(shàng)述目的(de)，采用了(le)多種試(shì)驗和數(shu)值計算(suan)方法。
　　在(zài)試驗中(zhong)，采用了(le)流動圖(tú)像法，激(jī)光多普(pu)勒測速(su)儀(L.D.V)測量(liang)二維速(sù)度和管(guǎn)壁差壓(ya)測量法(fa)。
　　試驗時(shi)，選取了(le)2個β值(0.4和(hé)0.7)。雷諾數(shù)(Uv·D/v)在104~2×105之間(jiān)。
二、試驗(yan)設備
1.試(shi)驗裝置(zhi)
　　圖1爲試(shì)驗裝置(zhì)，主要由(you)水平試(shi)驗管路(lù)及一台(tái)離心泵(beng)組成。該(gai)離心泵(bèng)通常在(zai)過壓狀(zhuang)态下運(yun)行。試驗(yàn)時，由離(li)心泵将(jiang)水箱A(容(rong)積爲1m³)中(zhōng)的水抽(chōu)出，其最(zuì)大排量(liang)爲140m³/h,輸出(chū)相對壓(ya)力爲20m水(shuǐ)柱。由泵(bèng)輸送的(de)水，一部(bù)分通過(guò)主試驗(yàn)管路的(de)試驗段(duàn)，另-部分(fen)經旁通(tong)管路返(fǎn)回到原(yuán)來的水(shui)箱中。主(zhǔ)試驗管(guan)路是一(yi)段口徑(jing)爲125mm的直(zhi)管段，一(yī)台标準(zhun)電磁流(liú)量計安(ān)裝在該(gai)直管段(duàn)上，其準(zhǔn)确度爲(wei)1%。該直管(guan)段的末(mò)端與密(mì)閉水箱(xiāng)B相連，這(zhe)樣可以(yǐ)消除由(you)離心泵(bèng)引起的(de)任何脈(mo)動流影(yǐng)響。在水(shuǐ)箱B的出(chū)口裝有(you)口徑爲(wèi)100mm的直管(guan)段，其中(zhōng)測試段(duàn)就安裝(zhuāng)在此直(zhí)菅段上(shang)。試驗中(zhong)，水返回(huí)到水箱(xiāng)A或者被(bèi)排出。另(lìng)外，試驗(yàn)時還可(kě)向水中(zhong)注人染(ran)料。利用(yong)2個并聯(lian)安裝在(zài)試驗段(duàn)下遊的(de)控制閥(fa)來調節(jie)通過試(shi)驗段的(de)水流量(liang)。爲了避(bì)免試驗(yàn)過程中(zhong)水介質(zhì)的溫度(dù)上升，設(shè)置了一(yi)台循環(huan)水式換(huan)熱器。在(zai)環路中(zhōng)冷卻水(shuǐ)的流量(liàng)采用伺(sì)服控制(zhi)，其溫度(dù)偏差在(zai)±0.5C範圍内(nèi)。試驗段(duan)上遊口(kou)徑100mm直管(guan)段的長(zhang)度爲4m，在(zai)其人口(kou)安裝了(le)一台管(guǎn)束式整(zhěng)流器。試(shi)驗段由(yóu)孔闆兩(liang)側分開(kai)，分爲上(shang)遊和下(xia)遊試驗(yàn)段。試驗(yan)管段采(cai)用有機(ji)玻璃透(tòu)明管段(duàn)，以便觀(guan)測流型(xing)和激光(guang)多普勒(lè)測速。由(you)于在空(kōng)氣和有(you)機玻璃(lí)管段之(zhi)間存在(zai)讀數偏(piān)差，爲了(le)避免有(yǒu)機玻璃(li)管段産(chǎn)生的折(shé)射，而将(jiāng)有機玻(bo)璃管段(duàn)的外壁(bì)做成平(píng)面。爲了(le)更好地(dì)觀察孔(kǒng)闆兩邊(biān)的流動(dong)狀态，孔(kong)闆兩側(ce)的法蘭(lan)是經過(guo)特殊的(de)，盡量保(bao)證爲0.15D。孔(kǒng)闆上、下(xia)遊的直(zhi)管段長(zhǎng)度爲0.5m。這(zhe)樣就可(ke)完成孔(kǒng)闆兩側(cè)回流區(qu)的試驗(yan):甚至β值(zhi)爲0.4也可(ke)以。
 
2.旋渦(wo)流發生(shēng)器
　　旋渦(wō)流是由(yóu)一種切(qiē)向流發(fā)生器産(chan)生的，如(rú)圖2所示(shi)。部分流(liú)體從其(qí)人口沿(yan)着與軸(zhóu)線成切(qie)線方向(xiàng)進人，從(cóng)而産生(sheng)旋轉流(liú)。旋渦強(qiáng)度的确(què)定借助(zhu)于軸向(xiang)流量Q軸(zhou)向和總(zong)流量Q總(zong)流量之(zhi)間的關(guan)系來定(dìng)。即用無(wú)量綱旋(xuán)流系數(shu)Q表達，其(qi)變化範(fan)圍爲0(無(wú)旋流)至(zhi)1(最大旋(xuán)流)，數字(zì)表達式(shì)爲:
 
　　據有(you)關文獻(xian)介紹，旋(xuán)渦強度(dù)也可用(yòng)旋渦數(shu)量s來表(biao)示，即通(tong)過平均(jun1)軸向分(fen)布U(r)和平(ping)均切向(xiang)分布W(r)計(ji)算出來(lai)，表達式(shì)爲:
 
　　該旋(xuán)流系數(shù)n可以通(tōng)過試驗(yàn)與經典(diǎn)的旋流(liú)數S用線(xiàn)性關系(xi)聯系起(qi)來。
 
三、試(shi)驗結果(guo)
　　在試驗(yan)過程中(zhōng)，β值爲0.7和(hé)0.4，雷諾數(shu)爲100000。
1.流動(dong)狀态觀(guān)測
　　在與(yǔ)管道同(tóng)直徑的(de)孔闆的(de)邊緣處(chu)設置2個(ge)毛細管(guan)，并且與(yu)管道的(de)軸線對(dui)稱。試驗(yàn)時，向兩(liǎng)根毛細(xì)管中注(zhu)人示蹤(zong)劑(氣體(tǐ)或液體(ti))，觀測孔(kǒng)闆下遊(you)的流動(dong)狀态。爲(wèi)了清晰(xī)地觀察(chá)流動狀(zhuàng)态，在透(tòu)明管段(duan)上遊放(fang)置一照(zhao)明設備(bèi)，其光束(shu)可以與(yǔ)軸線平(ping)行或垂(chuí)直。
　　觀察(chá)結果表(biǎo)明，旋渦(wo)流使得(dé)射流擴(kuò)大而回(hui)流區減(jiǎn)小。而且(qie)，當旋流(liú)系數n較(jiao)大和β值(zhi)較小時(shí)，孔闆下(xia)遊處有(yǒu)明顯的(de)射流沖(chòng)擊，使得(de)作用在(zài)管壁上(shàng)的壓力(li)産生很(hen)大的波(bo)動。.
2.速度(dù)測量
　　試(shi)驗中，使(shi)用了一(yi)台二維(wei)激光多(duo)普勒測(ce)速儀。在(zài)旋流強(qiang)度Ω爲0.2和(hé)0.5時，進行(háng)了測試(shì)。
3.上遊流(liu)動狀态(tài)
　　圖3示出(chū)了在孔(kǒng)闆上遊(you)1D處測得(de)的平均(jun1)軸向速(sù)度U和切(qiē)向速度(dù)W的分布(bu)情況。
　　從(cóng)中可以(yǐ)看出，随(sui)着旋渦(wo)強度的(de)增加，軸(zhóu)向速度(dù)U分布趨(qū)于變平(ping)。
 
　　從切向(xiang)速度分(fèn)布圖中(zhong)可以看(kàn)出，旋轉(zhuǎn)以管道(dao)軸線 爲(wei)中心并(bing)分爲兩(liang)個區域(yu)。在管道(dao)的中心(xin)(0≤r/D<0.25)爲“強旋(xuán)渦型”區(qu)，在該區(qu)内切向(xiang)速度W與(yǔ) 半徑r成(chéng)正比。接(jie)近于管(guan)壁時，出(chu)現了一(yi)個由于(yú)摩擦 使(shǐ)得旋轉(zhuǎn)速度降(jiang)低的區(qu)域。
　　利用(yong)上述的(de)速度分(fen)布圖，可(kě)以計算(suan)出旋渦(wo)數s和旋(xuan)渦角θs。因(yīn)此，當Ω=0.2時(shi)，S=0.1、θs=9°;當Ω=0.5時，S=0.5、θs=36°。
4，下(xia)遊流動(dong)狀态
(1)沿(yan)管道軸(zhóu)線的軸(zhou)向速度(dù)展開圖(tú)
　　當β值爲(wei)0.4時，得到(dào)的曲線(xiàn)如圖4所(suo)示。從圖(tú)中可以(yǐ)清楚地(di)看出，旋(xuan)轉流不(bú)僅可以(yǐ)導緻孔(kong)闆附近(jìn)處.速度(dù)增加，而(ér)且還可(kě)導緻由(you)于下遊(yóu)稍遠處(chu)因旋轉(zhuan)運動射(shè)流的擴(kuo)展使得(dé)速度迅(xùn)速地減(jiǎn)小。當下(xia)遊旋轉(zhuǎn)運動較(jiao)強(上遊(yóu)旋流較(jiao)大和低(di)β值)時，該(gāi)旋轉的(de)影響就(jiù)更大。
 
(2)在(zai)孔闆下(xia)遊0.5D時測(ce)得的速(sù)度分布(bu)圖
　　圖5示(shì)出了當(dāng)β值爲0.7時(shí)，孔闆下(xià)遊的平(ping)均軸向(xiàng)速度U和(hé)切向速(sù)度W的速(su)度分布(bù)圖。
 
　　從圖(tu)中看出(chu)，當Ω值較(jiao)小時，射(she)流形狀(zhuang)完全與(yu)無旋流(liu)時的結(jie)果相同(tóng)。換句話(huà)說，随着(zhe)旋流強(qiáng)度的增(zeng)加，射流(liu)區域消(xiao)失了。
 
　　圖(tu)6示出了(le)在剪切(qiē)區内軸(zhóu)向速度(du)的波動(dong)量明顯(xiǎn)增加。從(cong)流動圖(tu)像看出(chu)，這個不(bú)穩定流(liu)現象與(yu)射流的(de)沖擊相(xiàng)一緻。對(dui)于一個(ge)給定的(de)幅射狀(zhuàng)态，這種(zhǒng)現象使(shǐ)得局部(bu)速度交(jiāo)替地與(yu)在環流(liu)區觀察(cha)到的或(huò)射流中(zhōng)心區觀(guān)察到的(de)一緻。
　　當(dang)β值爲0.4時(shi)，雖然這(zhe)種現象(xiang)被強化(hua)了，但結(jie)果完全(quan)類似。
　　角(jiao)動量軸(zhou)向流量(liàng)計算式(shi):
 
　　上式表(biǎo)明在上(shang)遊和下(xia)遊測量(liang)點之間(jian)，φlang是減小(xiǎo)的。Murakami和Kito所(suǒ)得的結(jie)果與其(qi)相同。
(3)靠(kào)近管壁(bì)附近的(de)軸向速(sù)度分布(bù):回流區(qu)平均長(zhang)度的确(què)定.
　　圖7示(shì)出了平(ping)均縱向(xiang)速度分(fèn)布的所(suo)有結果(guǒ)。對這些(xiē)縱向速(sù)度分布(bu)，平均再(zài)附壁點(diǎn)與速度(du)正負符(fu)号的變(biàn)化相一(yi)緻。
 
　　從圖(tú)7中可清(qing)楚地看(kan)出，旋渦(wo)流可導(dao)緻回流(liú)區尺寸(cùn)減小。因(yīn)此，當旋(xuan)流強度(dù)較低(Ω=0.2)時(shí)，平均再(zai)附壁點(diǎn)大約在(zài)8.7h位置，而(er)在無擾(rao)動及在(zai)相同雷(léi)諾數時(shí)，則大約(yue)在10h位置(zhi)。當Ω=0.5時，回(huí)流區長(zhǎng)度減小(xiǎo)到4.9h(β=0.7時)和(hé)2.9h(β=0.4時)。
這種(zhǒng)現象在(zai)攝錄的(de)流動圖(tu)像錄像(xiang)中可以(yi)十分清(qing)楚地看(kàn)到。這種(zhong)現象與(yu)射流的(de)迅速膨(peng)脹有關(guān)，而與離(li)心力的(de)作用無(wú)關。
(4)差壓(ya)測量
　　在(zài)D和D/2配置(zhì)中旋渦(wo)流對差(chà)壓測量(liang)的影響(xiǎng)。試驗過(guò)程中，在(zài)雷諾數(shu)爲10000及相(xiang)同總流(liu)量的條(tiao)件下，改(gǎi)變旋流(liú)強度相(xiàng)對應的(de)旋流系(xì)數Ω.Ω從0~1範(fàn)圍内變(bian)化。
　　圖8示(shì)出了流(liu)出系數(shù)的變化(huà)，其定義(yi)式爲:
 
　　式(shì)中p和np分(fèn)别表示(shi)有擾動(dong)和無擾(rǎo)動條件(jiàn))流出系(xì)數是旋(xuan)流系數(shù)的函數(shù)。
 
　　從圖8可(ke)看出，當(dāng)旋流系(xì)數Ω低于(yu)0.2時,所産(chan)生的誤(wu)差可以(yi)忽略不(bu)計。這與(yu)Ω值爲0.2時(shi)流動.研(yan)究結果(guǒ)相吻合(hé)。該結果(guǒ)表明，在(zài)射流起(qi)始階段(duàn)，平均流(liú)量幾乎(hu)不變。這(zhe)表明，即(ji)使不忽(hu)略旋轉(zhuan)運動對(duì)靜壓橫(heng)向梯度(du)的影響(xiǎng)，至少上(shang)遊和下(xià)遊也應(ying)等效。.
　　當(dang)Ω值大于(yu)0.2時，可以(yi)看出随(suí)着被測(ce)試孔闆(pan).的不同(tóng)，其性能(néng)也不同(tong)。對于最(zuì)大的孔(kǒng)闆(β=0.7),當Ω值(zhi)達到0.7時(shí)，流出系(xì)數的最(zuì)大偏差(cha)可達27%。超(chao)出這個(gè)值後，系(xi)數CD急劇(ju)下降。當(dang)Ω值大于(yú)0.82時，流出(chū)系數的(de)偏差變(bian)爲負值(zhi)。當Ω=1時,CD的(de)偏差爲(wèi)-14%。
　　對于Ω值(zhí)爲0.4的孔(kong)闆，流出(chū)系數的(de)偏差總(zǒng)是正值(zhi)，并且随(suí)着旋流(liu)強度增(zeng)加而增(zēng)大。當Ω=1時(shi)，其最大(da)誤差可(kě)達25%。
　　通過(guo)定性研(yan)究分析(xī)，一些學(xue)者(Lugt、Murakami、Kito和McHugh等(děng))得到了(le)性質相(xiàng)同的結(jié)果。例如(rú)，當β值較(jiào)高時，流(liú)出系數(shù)趨向變(biàn)化，反過(guo)來也是(shì)一樣。通(tōng)常，這種(zhǒng)特性變(bian)化取決(jue)于β值，這(zhe)可以用(yong)對于差(cha)壓測量(liang)中有兩(liǎng)個相互(hu)反作用(yòng)的物理(lǐ)現象來(lai)解釋。這(zhè)兩個現(xiàn)象是:一(yi)方面由(you)于離心(xīn)力作用(yong)使得.上(shang)遊速度(dù)分布逐(zhú)漸變平(ping)，也使得(de)下遊射(she)流更加(jia)明顯地(dì)收縮。另(ling)-方面由(you)于旋轉(zhuan)運動的(de)作用，使(shǐ)得射流(liú)變寬。除(chu)此之外(wai)還有旋(xuán)轉流對(duì)孔闆上(shang)、下遊橫(heng)向靜壓(ya)力梯度(du)的影響(xiǎng)。因此，當(dang)β值較低(dī)時，通過(guò)孔闆的(de)旋轉流(liú)沒有很(hěn)大的加(jia)速，此時(shí)第一種(zhǒng)現象起(qi)主要作(zuò)用，導緻(zhi)測量的(de)差壓值(zhí)增大，而(ér)流出系(xi)數降低(di)。反之，當(dang)β值較高(gao)時，射流(liú)變平的(de)影響減(jiǎn)弱，而通(tōng)過孔闆(pan)的流體(tǐ)加速旋(xuan)轉導緻(zhi)射流進(jin)一步擴(kuò)大，此時(shi)差壓降(jiàng)低。
　　這些(xie)通常的(de)解釋并(bing)不總是(shì)可以得(dé)到驗證(zheng)的。我們(men)已經指(zhi)出，上述(shù)結論中(zhōng)的上遊(yóu)速度變(biàn)平的影(ying)響及由(you)于幹擾(rao)影響射(she)流收縮(suō)的變化(hua)等現象(xiang)都不能(néng)用試驗(yàn)來驗證(zheng)。關于射(shè)流擴展(zhǎn)引起的(de)旋流影(ying)響結果(guǒ)見圖4。從(cong)中明顯(xiǎn)地看出(chū)，在射流(liú)起始段(duan)内，位于(yu)管道中(zhong)心的軸(zhou)向速度(du)随着旋(xuán)流強度(dù)增加而(er)增大。
　　根(gēn)據空氣(qì)動力學(xue)的研究(jiū)結果，利(li)用積分(fèn)求和法(fǎ)可以确(que)定相應(ying)的測量(liàng)誤差。這(zhè)種方法(fǎ)将在下(xia)面計算(suàn)孔闆.上(shang)、下遊差(chà)壓時進(jin)行描述(shù)。由于旋(xuan)流作用(yòng)，不但要(yào)考慮流(liu)體沿着(zhe)管道軸(zhóu)向流動(dong)的縱向(xiàng)加速度(du)，而且還(hái)要考.慮(lü)上、下遊(you)管道橫(héng)截面上(shang)的橫向(xiang)靜壓力(li)梯度。鑒(jian)于上述(shù)兩種現(xian)象，其差(chà)壓公式(shi)爲:
 
　　我們(men)已将β值(zhí)爲0.7的孔(kǒng)闆和兩(liǎng)個旋渦(wō)強度應(yīng)用.到我(wo)們自己(jǐ)的試驗(yan)結果中(zhong)，所得結(jie)果見表(biao)1。
 
　　通過将(jiang)使用該(gai)方法得(dé)到的結(jié)果與實(shi)際試驗(yan)結果相(xiang)對比，可(ke)以看出(chu)存在明(ming)顯的不(bú)同。當然(rán)，這主要(yào)是由于(yú)計算軸(zhóu)線和管(guǎn)壁之間(jian)差壓時(shi)計算簡(jian)化而造(zao)成的。。Murakami和(he)Kito以前使(shi)用類似(sì)的方法(fa)得到的(de)觀測結(jie)果也是(shì)如此。
　　有(you)關更加(jiā)完整的(de)信息，尤(you)其對于(yu)橫向靜(jìng)壓梯度(du)的計算(suan)可使用(yong)等人的(de)流動模(mó)型。
　　如果(guo)把我們(men)所得結(jié)果與以(yǐ)前引用(yong)過的試(shi)驗結果(guǒ)相比較(jiào)，則可看(kan)出測出(chu)的流出(chū)系數的(de)變化率(lü)有很大(da)差别。結(jié)果表明(míng)，這些差(cha)别主要(yao)由于.上(shang)遊旋轉(zhuǎn)流性質(zhì)的不同(tong)而造成(cheng)的。
　　對于(yu)有關平(ping)均流量(liang)的最初(chu)解釋還(hai)應附加(jia)上非穩(wěn)定流現(xian)象的附(fu)加說明(ming)。本文針(zhen)對測量(liàng)結果表(biao)明，由于(yú)旋渦流(liu)作用，差(cha)壓的巨(ju)大波動(dong)與旋流(liu)所引.起(qi)的流動(dong)的不穩(wen)定有關(guān)。
　　這些現(xiàn)象與旋(xuán)渦流量(liàng)計使用(yong)中的情(qing)況類似(si)。當初始(shǐ)的旋流(liú)強度最(zuì)強和β值(zhi)最低時(shi)，這個影(ying)響最大(dà)。
四、結論(lun)
　　在本文(wén)中介紹(shào)了依據(ju)流動狀(zhuang)态的圖(tu)像化、二(èr)維激光(guāng)多普勒(le)測速(L.D.A)和(he)平均管(guǎn)壁壓力(lì)結果。在(zai)不同的(de)旋流強(qiáng)度下，對(duì)旋渦流(liú)的影響(xiǎng)進行了(le)分析，尤(you)其注意(yì)到了孔(kǒng)闆下遊(you)射流的(de)擴展和(he)回流區(qu)域長度(dù)的明顯(xian)減少。β值(zhi)越小和(hé)上遊旋(xuán)轉流越(yue)強，這些(xiē)現象就(jiu)越明顯(xian)。
　　因此，當(dang)旋流強(qiáng)度較低(di)時，接近(jin)孔闆處(chu)的平均(jun1)流量不(bú)會受到(dào)較大的(de)影響。流(liu)動圖像(xiang)化和管(guǎn)壁壓力(lì)的測量(liang)充分揭(jie)示了不(bú)穩定流(liu)的現象(xiang)。
　　通過試(shi)驗，已将(jiāng)β值和旋(xuan)流強度(dù)對測量(liang)誤差的(de)影響進(jin)行了驗(yan)證。把我(wǒ)們所得(dé)的結果(guǒ)與其他(ta)作者獲(huò)得的結(jié)果相對(dui)比表明(ming)，隻知道(dào)旋渦數(shù)量還不(bú)足以預(yù)測儀表(biǎo)的測量(liàng)誤差。這(zhè)一結論(lun)與ReaderHaris的結(jie)論相吻(wěn)合。通過(guo)對試驗(yàn)數據的(de)分析表(biǎo)明，速度(dù)場和差(chà)壓測量(liang)之間的(de)關系式(shi)隻能通(tong)過數學(xue)模型來(lai)确定。

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