液體流量標準裝置中調節閥后流速分布研究

馬龍博 徐益挺 鄭建英

(浙江省計量科學研究院，浙江 杭州 310013)

0 引言

在流量計量和檢測過程中，廣泛使用流量調節閥來調節管道中流體(一般指水)的流量。當流體流過不同開度的調節閥時，由于閥體結構的影響，將會產生諸如旋渦、空化、水錘及死水區等水流現象。這些現象不僅影響閥道局部水頭的損失，而且也會嚴重破壞管道中流體的流速分布，從而給流量計的計量帶來較大影響，最終影響流量計計量性能的準確檢測［1－4］。

在流速分布方面，國內外學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量和檢測的角度，將流速分布對流量計量的準確性及可靠性的影響問題進行深入研究。

本文在總結前人研究的基礎上，采用皮托管對距離調節閥1倍、5倍及10倍管徑處的流速分布進行了研究，得到了各距離的流速分布圖;然后，對流速分布圖進行了分析，取得了較好的研究結果。

1 皮托管流速測量原理

假定管道內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量誤差，利用它們的測量值進行流速計算時，應做適當的修正［10］。因此，引入皮托管的流速修正系數k，則式(2)可以寫為:

式中:k為皮托管的流速修正系數，它由試驗標定得到。

由式(3)可知，只要同時測得皮托管的總壓和靜壓，即可計算皮托管頭部對應點的流體流速。

2 試驗裝置及條件

試驗裝置主要由動力設備、水源穩壓設備、標準流量計、前直管段、試驗段和后直管段等六部分組成。試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置框圖Fig.1 Block diagram of the experimental equipment

試驗介質為水，試驗過程中的水由水泵導入水源穩壓裝置，經過穩壓裝置穩定后的水由渦輪流量計計量后，再經過一個足夠長的直管段，最后進入試驗段。在試驗段安裝有單座調節閥，在調節閥下游皮托管總壓信號及靜壓信號均采用英國德魯克PTX7517型壓力變送器(具有相同量程范圍、相同響應頻率)進行測量。最后，采用NI USB-6009數據采集卡和計算機對得到的總壓及靜壓信號進行采樣，采樣頻率為500 Hz。試驗管路內徑為d=50 mm，水的密度為998 kg/m3，試驗溫度為常溫。

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將管道均分為十等分，管道中心線兩側各五等分。根據調節閥內部結構的對稱性，只需測得管道中心線一側各等分點上的壓力波動信號，就可對稱地得到管道中心線另一側對應等分點上的壓力波動信號。本文將皮托管沿管道一側對各等分點上(即對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)的總壓及靜壓波動信號進行了測量。

3 試驗結果及分析

當調節閥開度分別為80%和100%，各開度對應流量分別為10 m3/h、14 m3/h及18 m3/h時，皮托管安裝在調節閥下游距離調節閥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可以得出以下結論。

①在距離調節閥1倍管徑處，管道中的水流流速分布極不規則。這種不規則分布的原因在于:水流流過調節閥流道時，由于調節閥特殊的流道結構，水流先進入到調節閥的下部流腔，然后再由調節閥下部流腔通過調節閥閥座開孔流入調節閥上部流腔，最后由調節閥上部流腔流入管道。由于上述流道結構改變了水流的流動結構，使得水流產生較大脈動，而由皮托管測量得到的就是這種被改變了流動結構且包含有較大脈動卻又未經任何直管段整流的水流，因此出現了上述流速分布的極不規則性。

②在距離調節閥5倍管徑處，管道中的水流流速分布與距離調節閥1倍管徑處的水流流速分布相比，其分布的規則性大大增加，但仍然具有不規則性。這種分布情況的出現主要是由于水流經過調節閥閥腔進入到管道后，又經過了長度為5倍管徑距離的直管段，通過該直管段對水流流動結構的整流作用，使得水流的脈動幅度大大降低，從而大大增加了流速分布的規則性。

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

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

調節閥對管道中的水流流場擾動以后，會產生較大的水流脈動及流速分布不對稱現象。經過10倍管徑長度的直管段整流，水流脈動基本可以消除，使得水流變得均勻、規則;但10倍管徑長度的直管段整流使得水流流速分布的對稱性相對較好，但與正常狀態下的水流流速分布相比仍有一定差異。

4 結束語

利用皮托管可以測量管道中水流流速的優點，并通過改變皮托管深入管道內距離的方式，得到了距離調節閥1倍、5倍及10倍管徑處的水流流速分布圖;同時，對上述流速分布圖進行了詳細分析，得出了10倍管徑長度的直管段還不能夠完全將調節閥擾動后的水流流速分布轉變成以管道中心線為中心的對稱流速分布的結果。上述研究結果為深入了解調節閥對管道內流體的擾動現象，進一步揭示調節閥流場擾動對流量計量和檢測帶來的問題提供了有力的參考，從而為提出有效控制流場干擾的方法奠定了堅實的基礎。

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