計(jì)量輪裝置水力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)研究

＊賈新亮 張昊 郭曉方 邢泊陽 王廣開 吳廣碩

（1.中國核電工程有限公司 北京 100840 2.北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院 北京 100029）

用于放射性流體輸送與控制的設(shè)備是保證核化工流程安全和長期穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)[1-5]。計(jì)量輪裝置是一種用于高放料液定量輸送的關(guān)鍵設(shè)備，在核化工領(lǐng)域流量相對較小的液體定量輸送場合中應(yīng)用[6-9]。

為了充分理解計(jì)量輪裝置的水力學(xué)原理，本文實(shí)驗(yàn)研究了不同轉(zhuǎn)速、液位高度下計(jì)量輪裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律、取液現(xiàn)象和取液量，為設(shè)計(jì)和優(yōu)化計(jì)量輪裝置提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和指導(dǎo)。

1.實(shí)驗(yàn)裝置及方法

(1)計(jì)量輪裝置原理

上游設(shè)備將供料槽內(nèi)液體抽送至計(jì)量輪裝置儲(chǔ)液槽，儲(chǔ)液槽一側(cè)設(shè)有溢流口，通過不斷供料與溢流，儲(chǔ)液槽內(nèi)液面高度保持恒定。計(jì)量輪裝置不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)量輪每轉(zhuǎn)一周收集一定量的液體并送至集液漏斗，利用重力自流至下游接收槽，如圖1所示。控制計(jì)量輪轉(zhuǎn)速最終可實(shí)現(xiàn)流量的準(zhǔn)確計(jì)量[10-11]。

圖1 計(jì)量輪裝置原理示意圖

(2)實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)搭建了如圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置。采用電機(jī)與減速機(jī)相連，驅(qū)動(dòng)計(jì)量輪轉(zhuǎn)動(dòng)。通過控制器實(shí)現(xiàn)對計(jì)量輪轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)控制。取液勺下方放置一水槽，水槽一側(cè)設(shè)有溢流口，另一側(cè)通過一進(jìn)水管不斷向水槽內(nèi)注入去離子水，以保證液面相對水槽恒定。過量的水經(jīng)過溢流口流向蓄水桶，桶內(nèi)水經(jīng)離心泵重新輸送至水槽，進(jìn)而形成一套循環(huán)系統(tǒng)。水槽下方設(shè)有升降臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)液位高度的無級調(diào)節(jié)。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)前，通過調(diào)節(jié)升降臺(tái)將液面調(diào)整至所需高度。通過調(diào)整控制器，設(shè)置計(jì)量輪轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)角度。實(shí)驗(yàn)時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)，觀察計(jì)量輪取液情況。等待計(jì)量輪旋轉(zhuǎn)完成指定的角度后，并采用量筒量取本次實(shí)驗(yàn)計(jì)量輪取出液體的體積。對相同實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，取平均數(shù)據(jù)為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

本實(shí)驗(yàn)采用3D打印技術(shù)加工制造計(jì)量輪，并應(yīng)用透明樹脂材質(zhì)以便于觀察[12]，其結(jié)構(gòu)及部分關(guān)鍵參數(shù)如圖3所示。計(jì)量輪外圓半徑R=25mm，內(nèi)圓半徑r=5mm，寬度d=32mm，計(jì)量輪開口徑向方向與豎直方向夾角θ=30°，計(jì)量輪內(nèi)圓中心距計(jì)量輪旋轉(zhuǎn)中心距離為77.5mm，計(jì)量輪厚度δ=2mm。利用三維建模軟件對實(shí)驗(yàn)中關(guān)鍵水力學(xué)部件進(jìn)行建模分析，得到計(jì)量輪的理論取液量為23.67ml。

圖3 計(jì)量輪結(jié)構(gòu)示意圖

(3)實(shí)驗(yàn)方法

①計(jì)量輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)敏感性檢驗(yàn)

在正式實(shí)驗(yàn)開始前，我們開展了計(jì)量輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)對取液量測量值影響敏感性的實(shí)驗(yàn)。設(shè)定液位高度為75mm，轉(zhuǎn)速為1rpm、10rpm和20rpm，圈數(shù)分別為1圈、3圈、6圈、9圈，進(jìn)而計(jì)算平均每圈取液量，如圖4所示。從圖中可以看出，相同轉(zhuǎn)速下平均每圈取液量隨圈數(shù)波動(dòng)較小。為提高量筒測量準(zhǔn)確性同時(shí)減少偶然誤差，最終各實(shí)驗(yàn)均設(shè)定計(jì)量輪旋轉(zhuǎn)3圈計(jì)算平均取液量。

圖4 計(jì)量輪平均每圈取液量與旋轉(zhuǎn)圈數(shù)和轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖

②高速攝像技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高速攝像技術(shù)的應(yīng)用范圍也越來越廣[13]。本實(shí)驗(yàn)中，利用高速攝像技術(shù)對不同轉(zhuǎn)速下計(jì)量輪取液過程進(jìn)行記錄，進(jìn)而分析轉(zhuǎn)速對計(jì)量輪取液過程的影響規(guī)律。

2.結(jié)果與討論

(1)計(jì)量輪取液的瞬態(tài)特性

通過高速攝像技術(shù)對透明計(jì)量輪進(jìn)行拍攝分析，以提高對計(jì)量輪取液規(guī)律的認(rèn)識(shí)。如圖5（a）所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)可清晰觀察到由于表面張力作用，在計(jì)量輪中心開孔最低處上方，仍形成一層具有一定厚度的液膜，這導(dǎo)致實(shí)際測得的取液量較理論值偏大。同時(shí)，表面張力的作用還存在于計(jì)量輪剛?cè)胨疇顟B(tài)，如圖5（b）所示，即當(dāng)計(jì)量輪前沿旋轉(zhuǎn)至液面下時(shí)，由于表面張力的作用水仍會(huì)在計(jì)量輪前沿維持一定高度，阻礙液體進(jìn)入計(jì)量輪內(nèi)部。

圖5 表面張力對取液量的影響

為便于觀察取液勺內(nèi)液面波動(dòng)情況，在計(jì)量輪外表面刻畫一條直線。當(dāng)直線處于水平狀態(tài)時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下計(jì)量輪內(nèi)液面情況如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，取液勺內(nèi)液面較為平穩(wěn)，可維持在水平狀態(tài)（即與取液勺外側(cè)直線平行）。隨轉(zhuǎn)速逐漸增加，取液勺內(nèi)液面及水槽內(nèi)液面均開始出現(xiàn)波動(dòng)，計(jì)量輪內(nèi)右側(cè)液面高于左側(cè)液面，計(jì)量輪中心開孔最低處出現(xiàn)溢流現(xiàn)象，且轉(zhuǎn)速越高，上述現(xiàn)象越明顯。這是由于轉(zhuǎn)速較高時(shí)，取液勺內(nèi)液體受離心力影響較大，同時(shí)使得取液勺內(nèi)液體具有了一定的速度，導(dǎo)致取液勺內(nèi)液面波動(dòng)。此外，相同液位下，由計(jì)量輪入水至計(jì)量輪外側(cè)直線水平時(shí)所旋轉(zhuǎn)角度相同，因此，轉(zhuǎn)速越高，計(jì)量輪內(nèi)液體經(jīng)歷的穩(wěn)定時(shí)間越短，溢流現(xiàn)象越嚴(yán)重。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下取液勺內(nèi)液面波動(dòng)圖

(2)液位和轉(zhuǎn)速對計(jì)量輪取液量的影響規(guī)律

利用三維建模軟件分析，理論上當(dāng)計(jì)量輪內(nèi)圓與液面相切且取液勺口外沿與液面重合時(shí)，此時(shí)若繼續(xù)增加液面高度，計(jì)量輪的取液量不會(huì)隨液位高度的升高而變化。因此，將此時(shí)的液位高度定義為臨界液位，如圖7所示。

圖7 臨界液位及無因次液位高度示意圖

為了使實(shí)驗(yàn)規(guī)律更具有普適性，分析時(shí)對液面與軸心距離和取液量進(jìn)行無因次處理。選取計(jì)量輪豎直狀態(tài)時(shí)液面距取液勺內(nèi)壁最低處的距離為h，取液勺截面特征高度為D，定義無因次液位高度為h/D，如圖7所示。

通過對不同液位高度、不同轉(zhuǎn)速條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到不同操作條件下計(jì)量輪裝置的取液量，對液位高度及取液量進(jìn)行無因次化處理，如圖8所示。由圖8可知，當(dāng)無因次液位高度大于1.27時(shí)，計(jì)量輪取液量隨轉(zhuǎn)速波動(dòng)較小，但仍呈現(xiàn)出小幅增加趨勢；當(dāng)無因次液位高度低于1.27時(shí)，計(jì)量輪取液量隨轉(zhuǎn)速波動(dòng)劇烈，呈現(xiàn)出先增加后減小再增加的趨勢，且拐點(diǎn)隨著無因次液位的降低逐漸向低轉(zhuǎn)速方向移動(dòng)。

圖8 無因次取液量與轉(zhuǎn)速及無因次液位高度關(guān)系

結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析，當(dāng)無因次液位高度大于1.27時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速提高，取液勺內(nèi)波動(dòng)增大，計(jì)量輪由入水至取液勺內(nèi)液體進(jìn)入收集斗時(shí)間減短，導(dǎo)致計(jì)量輪內(nèi)圓中心處溢流不充分，計(jì)量輪取液量增大。當(dāng)無因次液位高度低于1.27時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速小幅增加，取液勺內(nèi)液面開始由穩(wěn)定變?yōu)椴▌?dòng)，導(dǎo)致計(jì)量輪取液量增大；進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速后，當(dāng)計(jì)量輪入水時(shí)，取液勺口附近區(qū)域在表面張力作用下形成具有一定厚度的液膜，并且隨轉(zhuǎn)速增加，計(jì)量輪由入水至出水時(shí)間變短，槽內(nèi)液體不能完全充滿計(jì)量輪，導(dǎo)致取液量小幅減??；當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高時(shí)，計(jì)量輪對水面沖擊增大，槽內(nèi)液面開始波動(dòng)，表面張力維持的液膜被破壞，取液量又會(huì)小幅增加。

3.結(jié)束語

本文利用高速攝像技術(shù)對不同液位和轉(zhuǎn)速條件下計(jì)量輪裝置的取液過程、取液量、以及力學(xué)因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

當(dāng)無因次液位高度大于1.27時(shí)，計(jì)量輪裝置的取液量隨轉(zhuǎn)速波動(dòng)不大，但仍受表面張力和離心力影響，致使其取液量有輕微的增加趨勢。當(dāng)無因次液位高度低于1.27時(shí)，計(jì)量輪裝置的取液量受液位高度及轉(zhuǎn)速影響較大。因此建議計(jì)量輪裝置運(yùn)行時(shí)，無因次液位高度大于1.27，此時(shí)計(jì)量輪裝置的取液量波動(dòng)較小。

表面張力與兩相材料關(guān)系密切，本實(shí)驗(yàn)采用的計(jì)量輪材料為高分子樹脂，液相為去離子水。若工程實(shí)際應(yīng)用中，材料發(fā)生變化，需要對表面張力效應(yīng)進(jìn)行修正。