液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中調(diào)節(jié)閥后流速分布研究

馬龍博 徐益挺 鄭建英

(浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，浙江 杭州 310013)

0 引言

在流量計(jì)量和檢測(cè)過程中，廣泛使用流量調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)管道中流體(一般指水)的流量。當(dāng)流體流過不同開度的調(diào)節(jié)閥時(shí)，由于閥體結(jié)構(gòu)的影響，將會(huì)產(chǎn)生諸如旋渦、空化、水錘及死水區(qū)等水流現(xiàn)象。這些現(xiàn)象不僅影響閥道局部水頭的損失，而且也會(huì)嚴(yán)重破壞管道中流體的流速分布，從而給流量計(jì)的計(jì)量帶來較大影響，最終影響流量計(jì)計(jì)量性能的準(zhǔn)確檢測(cè)［1－4］。

在流速分布方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已做了大量的研究工作，并取得了許多研究成果［5－8］，但這些成果并沒有從流量計(jì)量和檢測(cè)的角度，將流速分布對(duì)流量計(jì)量的準(zhǔn)確性及可靠性的影響問題進(jìn)行深入研究。

本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，采用皮托管對(duì)距離調(diào)節(jié)閥1倍、5倍及10倍管徑處的流速分布進(jìn)行了研究，得到了各距離的流速分布圖;然后，對(duì)流速分布圖進(jìn)行了分析，取得了較好的研究結(jié)果。

1 皮托管流速測(cè)量原理

假定管道內(nèi)的流體為不可壓縮性流體，則伯努利方程可以寫為［9］:

式中:p為流體的靜壓;p0為流體的總壓;ρ為流體的密度;v為流體的流速。

由式(1)可得:

式(2)為皮托管的基本方程。

考慮到總壓與靜壓的測(cè)量誤差，利用它們的測(cè)量值進(jìn)行流速計(jì)算時(shí)，應(yīng)做適當(dāng)?shù)男拚?0］。因此，引入皮托管的流速修正系數(shù)k，則式(2)可以寫為:

式中:k為皮托管的流速修正系數(shù)，它由試驗(yàn)標(biāo)定得到。

由式(3)可知，只要同時(shí)測(cè)得皮托管的總壓和靜壓，即可計(jì)算皮托管頭部對(duì)應(yīng)點(diǎn)的流體流速。

2 試驗(yàn)裝置及條件

試驗(yàn)裝置主要由動(dòng)力設(shè)備、水源穩(wěn)壓設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)、前直管段、試驗(yàn)段和后直管段等六部分組成。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置框圖Fig.1 Block diagram of the experimental equipment

試驗(yàn)介質(zhì)為水，試驗(yàn)過程中的水由水泵導(dǎo)入水源穩(wěn)壓裝置，經(jīng)過穩(wěn)壓裝置穩(wěn)定后的水由渦輪流量計(jì)計(jì)量后，再經(jīng)過一個(gè)足夠長(zhǎng)的直管段，最后進(jìn)入試驗(yàn)段。在試驗(yàn)段安裝有單座調(diào)節(jié)閥，在調(diào)節(jié)閥下游皮托管總壓信號(hào)及靜壓信號(hào)均采用英國(guó)德魯克PTX7517型壓力變送器(具有相同量程范圍、相同響應(yīng)頻率)進(jìn)行測(cè)量。最后，采用NI USB-6009數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)對(duì)得到的總壓及靜壓信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣頻率為500 Hz。試驗(yàn)管路內(nèi)徑為d=50 mm，水的密度為998 kg/m3，試驗(yàn)溫度為常溫。

皮托管沿管道徑向垂直深入管道的安裝位置如圖2所示，其中虛線位置為皮托管頭部深入管道的位置。

圖2 皮托管沿管道徑向的安裝位置Fig.2 The installation locations of Pitot at radial directions of pipeline

由圖2可以看出，皮托管徑向垂直深入管道的位置是沿管道徑向?qū)⒐艿谰譃槭确?，管道中心線兩側(cè)各五等分。根據(jù)調(diào)節(jié)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，只需測(cè)得管道中心線一側(cè)各等分點(diǎn)上的壓力波動(dòng)信號(hào)，就可對(duì)稱地得到管道中心線另一側(cè)對(duì)應(yīng)等分點(diǎn)上的壓力波動(dòng)信號(hào)。本文將皮托管沿管道一側(cè)對(duì)各等分點(diǎn)上(即對(duì)沿管道徑向深入管道 0.1d、0.2d、0.3d、0.4d、0.5d、0.6d、0.7d、0.8d、0.9d 處)的總壓及靜壓波動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度分別為80%和100%，各開度對(duì)應(yīng)流量分別為10 m3/h、14 m3/h及18 m3/h時(shí)，皮托管安裝在調(diào)節(jié)閥下游距離調(diào)節(jié)閥1倍管徑、5倍管徑及10倍管徑處，且沿管道徑向分別深入管道 0.1d、0.2d、0.3d、0.4d、0.5d、0.6d、0.7d、0.8d 及0.9d時(shí)的流速分布如圖3 所示。

圖3 各流速分布圖Fig.3 Flow velocity distributions

由圖3可以得出以下結(jié)論。

①在距離調(diào)節(jié)閥1倍管徑處，管道中的水流流速分布極不規(guī)則。這種不規(guī)則分布的原因在于:水流流過調(diào)節(jié)閥流道時(shí)，由于調(diào)節(jié)閥特殊的流道結(jié)構(gòu)，水流先進(jìn)入到調(diào)節(jié)閥的下部流腔，然后再由調(diào)節(jié)閥下部流腔通過調(diào)節(jié)閥閥座開孔流入調(diào)節(jié)閥上部流腔，最后由調(diào)節(jié)閥上部流腔流入管道。由于上述流道結(jié)構(gòu)改變了水流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，使得水流產(chǎn)生較大脈動(dòng)，而由皮托管測(cè)量得到的就是這種被改變了流動(dòng)結(jié)構(gòu)且包含有較大脈動(dòng)卻又未經(jīng)任何直管段整流的水流，因此出現(xiàn)了上述流速分布的極不規(guī)則性。

②在距離調(diào)節(jié)閥5倍管徑處，管道中的水流流速分布與距離調(diào)節(jié)閥1倍管徑處的水流流速分布相比，其分布的規(guī)則性大大增加，但仍然具有不規(guī)則性。這種分布情況的出現(xiàn)主要是由于水流經(jīng)過調(diào)節(jié)閥閥腔進(jìn)入到管道后，又經(jīng)過了長(zhǎng)度為5倍管徑距離的直管段，通過該直管段對(duì)水流流動(dòng)結(jié)構(gòu)的整流作用，使得水流的脈動(dòng)幅度大大降低，從而大大增加了流速分布的規(guī)則性。

③在距離調(diào)節(jié)閥10倍管徑處，管道中的水流流速分布與距離調(diào)節(jié)閥5倍管徑處的水流流速分布相比，其分布變得均勻、規(guī)則，并且其分布的對(duì)稱性(指以管道中心線為中心上下對(duì)稱分布)較5倍管徑距離下的對(duì)稱性略佳。該分布情況是由于水流經(jīng)過了長(zhǎng)度為10倍管徑距離的直管段整流，水流的脈動(dòng)已基本消除，因而水流流速變得均勻、規(guī)則，流速的對(duì)稱性也略有增加。

④在距離調(diào)節(jié)閥10倍管徑處，流速分布并非以中心線為中心呈上下對(duì)稱分布(相同開度下，流速越大，流體在管道中的流速分布愈不對(duì)稱)，而是隨皮托管深入管道內(nèi)距離的增加，其流速逐漸增大，在0.3d～0.4d附近，其流速達(dá)到最大，隨后隨皮托管深入管道內(nèi)的距離增大，流速逐漸較小。上述流速分布盡管變得均勻規(guī)則，但其分布與正常狀態(tài)下的流速分布(正常狀態(tài)下的流速分布是在管道中心線附近，流速最大，距離中心線越遠(yuǎn)流速越小，并且以中心線為中心呈對(duì)稱分布)相比仍然具有較大改善。

調(diào)節(jié)閥對(duì)管道中的水流流場(chǎng)擾動(dòng)以后，會(huì)產(chǎn)生較大的水流脈動(dòng)及流速分布不對(duì)稱現(xiàn)象。經(jīng)過10倍管徑長(zhǎng)度的直管段整流，水流脈動(dòng)基本可以消除，使得水流變得均勻、規(guī)則;但10倍管徑長(zhǎng)度的直管段整流使得水流流速分布的對(duì)稱性相對(duì)較好，但與正常狀態(tài)下的水流流速分布相比仍有一定差異。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用皮托管可以測(cè)量管道中水流流速的優(yōu)點(diǎn)，并通過改變皮托管深入管道內(nèi)距離的方式，得到了距離調(diào)節(jié)閥1倍、5倍及10倍管徑處的水流流速分布圖;同時(shí)，對(duì)上述流速分布圖進(jìn)行了詳細(xì)分析，得出了10倍管徑長(zhǎng)度的直管段還不能夠完全將調(diào)節(jié)閥擾動(dòng)后的水流流速分布轉(zhuǎn)變成以管道中心線為中心的對(duì)稱流速分布的結(jié)果。上述研究結(jié)果為深入了解調(diào)節(jié)閥對(duì)管道內(nèi)流體的擾動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)一步揭示調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)擾動(dòng)對(duì)流量計(jì)量和檢測(cè)帶來的問題提供了有力的參考，從而為提出有效控制流場(chǎng)干擾的方法奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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