T型靠背風(fēng)速管研制及其在動(dòng)車組流量測(cè)試中的應(yīng)用

許良中,潘云艷,劉堂紅

(1.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410075; 2.南車株洲電力機(jī)車有限公司,湖南 株洲 412001)

0 引 言

目前差壓測(cè)速元件分標(biāo)準(zhǔn)型皮托管和非標(biāo)準(zhǔn)型皮托管2類。標(biāo)準(zhǔn)型皮托管在使用時(shí)具有諸多局限性：首先，標(biāo)準(zhǔn)型皮托管主要用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)量清潔氣流和含塵濃度小于0.05mg/kg的氣流流速；其次，安裝時(shí)要求全壓孔對(duì)準(zhǔn)氣流方向，靜壓孔在氣流的垂直方向上，因此對(duì)標(biāo)準(zhǔn)L型皮托管安裝要求較高，氣流的風(fēng)偏角不能大于3°[1-2]；第三，測(cè)試風(fēng)道內(nèi)的平均流速需要多個(gè)測(cè)速元件按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)布置在風(fēng)道斷面上，對(duì)于比較細(xì)小的管道，特別是在管道四周比較狹窄，安裝空間不足的情況下，使用標(biāo)準(zhǔn)型皮托管具有相當(dāng)大的局限性；最后，在風(fēng)道氣流具備雙向流動(dòng)特性的特殊情況下，標(biāo)準(zhǔn)型靠背管完全不適用。因此，對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)測(cè)速元件的開發(fā)，特別是對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造使用方便和適用于工程應(yīng)用測(cè)速元件的開發(fā)顯得尤為重要。

孫志強(qiáng)等人利用流場(chǎng)數(shù)值分析、結(jié)合實(shí)驗(yàn)等手段研究了一種改良S型皮托管的流速系數(shù)，并分析了馬赫數(shù)對(duì)流速系數(shù)的影響[3]。張澄、趙秀英等研究了各種形式的單支測(cè)壓探頭，對(duì)各種不同形狀的探頭，在不同的流速和來流方向下分析流速系數(shù)變化規(guī)律；最后確定彎頭形式的單只探頭(見圖1)壓力系數(shù)在不同的速度之下變化很小，對(duì)氣流方向的敏感程度也很小，在許多單支探頭中是較佳的全壓孔形式[4]。最佳的背壓孔布置在了直管段背風(fēng)側(cè)[5]，這種形式的靠背管形式新穎，但不是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，不能解決雙向流問題。

圖1 最優(yōu)全壓孔單只探頭形式

為解決動(dòng)車組底板和部分通風(fēng)通道流速方向變化、安裝空間狹小而無法采用傳統(tǒng)測(cè)速儀器的問題，本文研制的T型靠背管采用彎頭式靠背管形式，由兩根具有最優(yōu)全壓孔探頭同徑管背靠背焊接而成，其示意圖如圖2所示，具有全壓孔形式，而且結(jié)構(gòu)對(duì)稱可滿足雙向流測(cè)試的需要，是一種新型的測(cè)速元件；并且在嚴(yán)格標(biāo)定和適當(dāng)修正后，可達(dá)到較高的測(cè)量精度。

圖2 T型靠背管示意圖

1 靠背管原理

靠背管為非標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量元件，但其原理與標(biāo)準(zhǔn)皮托管原理相近，其流速系數(shù)受結(jié)構(gòu)尺寸和安裝角度等影響，在使用前必須對(duì)流速系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定；測(cè)速管流速系數(shù)是與標(biāo)準(zhǔn)靜壓皮托管在勻速風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行對(duì)比標(biāo)定中得到的[6]，對(duì)于靠背管的伯努利方程表達(dá)式如公式(1)所示，標(biāo)準(zhǔn)皮托管伯努利方程如公式(2)所示[7]。

假設(shè)氣流的大小和方向都不變的情況下，公式(3)中的ζ0，pd都是由標(biāo)準(zhǔn)皮托管的特性決定的，而不同形式流速管上測(cè)壓孔形狀所測(cè)得的ΔpS值是有差異的，直接影響流速系數(shù)[4]；

(1)

(2)

式中：ζ0為標(biāo)準(zhǔn)靜壓皮托管的校正系數(shù)，一般在0.99～1.01之間;Δpd為標(biāo)準(zhǔn)靜壓皮托管的壓差值 (即動(dòng)壓);ΔpS為靠背管的壓差值。

由公式(1)和公式(2)可得到靠背管流速系數(shù)表達(dá)公式為：

(3)

2 T型靠背管特性研究

對(duì)T型靠背管特性研究包含2方面內(nèi)容，一是結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化，如靠背管彎頭段的長(zhǎng)度等；二是靠背管敏感度研究，如靠背管彎頭段與風(fēng)速偏角對(duì)流速系數(shù)的影響等。在風(fēng)洞試驗(yàn)中對(duì)以上2個(gè)問題及靠背管流速系數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)，將靠背管固定在支架上，放入風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行標(biāo)定，靠背管支架為柵型結(jié)構(gòu)(見圖3)，采用這種形狀的原因是：一方面透風(fēng)率比較高，阻塞效應(yīng)小；另一方面支架上可放置多種形式的靠背管[8]。將靠背管連接至動(dòng)態(tài)壓差傳感器后，即可進(jìn)行流速系數(shù)的標(biāo)定。

(4)

圖3 T型靠背管風(fēng)洞內(nèi)標(biāo)定實(shí)物圖

2.1長(zhǎng)徑比L/D對(duì)流速系數(shù)影響研究

表1 不同彎管段長(zhǎng)度流速系數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖4 不同彎管段長(zhǎng)度流速系數(shù)變化規(guī)律

2.2流速對(duì)流速系數(shù)的影響

彎管段長(zhǎng)度L=5mm的靠背管流速系數(shù)對(duì)風(fēng)速的變化敏感程度比較小，但標(biāo)定的最高動(dòng)壓為138Pa，流速約為15m/s。為了能夠更大范圍的對(duì)風(fēng)速管進(jìn)行標(biāo)定，并研究其流速系數(shù)的變化規(guī)律，在風(fēng)洞內(nèi)對(duì)彎管段長(zhǎng)度5mm的靠背管進(jìn)行了最高動(dòng)壓為353Pa，流速約為24m/s的標(biāo)定試驗(yàn)，約每3m/s為一個(gè)速壓差，將標(biāo)定得到的壓差及由公式(4)得到的流速系數(shù)列于表2。

表2 流速系數(shù)標(biāo)定數(shù)據(jù)

2.3風(fēng)偏角對(duì)流速系數(shù)的影響

靠背管工作時(shí)應(yīng)該保持全壓端對(duì)準(zhǔn)來流方向，背壓端完全背對(duì)來流方向，靠背管的彎管段軸線方向與氣流方向一致。在實(shí)際測(cè)試過程中我們并不能保持這一絕對(duì)精度，總會(huì)有所偏差，彎管段的軸線與來流速度的偏角對(duì)流速系數(shù)會(huì)有影響[10-11]。為研究風(fēng)偏角對(duì)流速系數(shù)的影響，將靠背管安裝座安裝在由步進(jìn)電機(jī)控制的轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)改變靠背管風(fēng)偏角大小。采用的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為雷賽86HS45，該電機(jī)步距角為1.8°，配上細(xì)分驅(qū)動(dòng)器后其步距角可細(xì)分256倍，精度較高。以5°為一個(gè)角度間隔，測(cè)試的水平偏角為別為0°、5°、10°和15°?？勘彻芷鞘疽鈭D如圖4所示，測(cè)試壓差及由公式(4)得到的流速系數(shù)分別列于表3。

圖5 靠背管與風(fēng)速夾角示意圖

表3不同風(fēng)偏角下流速系數(shù)測(cè)試結(jié)果

Tabel3Testdataofthevelocitycoefficientunderdifferentwindyawangles

Δpd/Paθ/°73132223ΔpSa2sΔpSa2sΔpSa2sa2s-0960．7531770．7383020．7310．7415970．7451780．7343040．7260．735101010．7161910．6843220．6860．695151040．6951940．6743290．6710．680

圖6 流速系數(shù)隨風(fēng)偏角變化規(guī)律

3 靠背管在流量測(cè)試試驗(yàn)中的應(yīng)用

3.1測(cè)點(diǎn)布置

將動(dòng)車組換氣裝置新風(fēng)口從車底設(shè)備艙內(nèi)部移至列車風(fēng)擋外端墻空隙處后，為考核新風(fēng)流量能否滿足設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)新風(fēng)通道內(nèi)的新風(fēng)流量進(jìn)行測(cè)試。

動(dòng)車組新風(fēng)風(fēng)道位于設(shè)備艙底部，利用多根靠背管同時(shí)測(cè)試管道內(nèi)多點(diǎn)的實(shí)時(shí)流速，利用算術(shù)平均的處理方法得到風(fēng)道內(nèi)的平均流速，進(jìn)而得到新風(fēng)風(fēng)道截面流量。新風(fēng)風(fēng)道的截面形狀為一矩形，截面尺寸為163mm×156mm，高于120km/h運(yùn)行工況下新風(fēng)額定流量為1440 m3/h，測(cè)試布點(diǎn)實(shí)物圖如圖7所示，測(cè)試結(jié)果列于表4。

根據(jù)GB10178-2006《工業(yè)通風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)性能試驗(yàn)》中規(guī)定，對(duì)于矩形截面流量測(cè)點(diǎn)應(yīng)按照切貝切夫法布置[13]，實(shí)際工程應(yīng)用中，此法布置測(cè)點(diǎn)過多，造成阻塞比過大，影響測(cè)試結(jié)果，需進(jìn)行簡(jiǎn)化。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，新風(fēng)風(fēng)道截面接近正方形，直管段較長(zhǎng)，而且流速較為穩(wěn)定，因此新風(fēng)風(fēng)道中心附近流速能很好地反映風(fēng)道內(nèi)流場(chǎng)情況；根據(jù)切貝切夫法在0.5L處，沿高度方向在0.288H和0.712H處布置兩個(gè)流速測(cè)點(diǎn)；在0.5H處，沿長(zhǎng)度方向，在0.235L和0.765L處布置兩個(gè)流速測(cè)點(diǎn)，共布置4個(gè)流速測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖8所示。將4個(gè)測(cè)點(diǎn)各自測(cè)試得到的流速平均后得到所測(cè)試截面的平均流速，由公式(5)計(jì)算即可得到該截面的流量。

(5)

圖7 流量測(cè)試布點(diǎn)實(shí)物圖

圖8 布點(diǎn)示意圖

3.2試驗(yàn)結(jié)果

以上4個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速取平均值后，作為矩形截面的平均流速，與面積的乘積即為該風(fēng)道的流量值，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)列于表4，以此來說明該新型靠背管測(cè)試的精度及穩(wěn)定性。

表4 流量測(cè)試數(shù)據(jù)

試驗(yàn)中根據(jù)T型靠背管的標(biāo)定流速系數(shù)，通過測(cè)試靠背管兩管內(nèi)的壓差，通過公式(1)得到風(fēng)道內(nèi)的空氣流速，再根據(jù)公式(5)得到風(fēng)道垂直截面內(nèi)的空氣流量。由測(cè)試的結(jié)果可以看出，測(cè)得的流量值和額定風(fēng)量1440m3/h相差均在4.03％以內(nèi)，最小相差-0.28％。

4 結(jié) 語

本文針對(duì)動(dòng)車組底板和部分通風(fēng)通道流速方向變化、安裝空間狹小而無法采用傳統(tǒng)測(cè)速儀器的問題，研制了一種新型的測(cè)速元件，運(yùn)用風(fēng)洞標(biāo)定的試驗(yàn)方法研究了其特性，得出了最佳的彎管段長(zhǎng)度以及最佳彎管段下的流速系數(shù)，并且研究了風(fēng)偏角對(duì)其流速系數(shù)的影響，得到了流速系數(shù)隨風(fēng)偏角變化規(guī)律，并且在動(dòng)車組新風(fēng)通道的流量測(cè)量中應(yīng)用了這一測(cè)速元件，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用性較強(qiáng)，工作穩(wěn)定可靠，未出現(xiàn)測(cè)壓孔被堵塞等現(xiàn)象，且測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，精度較高。

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作者簡(jiǎn)介:

許良中(1983-)，男，江蘇徐州人，博士研究生。研究方向：列車空氣動(dòng)力學(xué)。通信地址：湖南省長(zhǎng)沙市韶山南路22號(hào)中南大學(xué)鐵道校區(qū)交通運(yùn)輸工程學(xué)院高速列車研究中心(410075)。E-mail：xuliangzhong1@126.com